京都大学化学研究所の金光義彦 教授、湯本郷 同特定助教、廣理英基 同准教授、寺西利治 教授らの研究グループは、レーザー光パルスをハライドペロブスカイト半導体CsPbBr₃ナノ粒子に照射すると、可視光領域の光がレーザー光パルスの当たっている間のみ超高速に変調され、その大きさが近赤外領域のレーザー光で特異に増大する現象を室温で発見しました。固体中の電子状態はレーザー光パルスの照射によって変調することが可能であり、超高速な量子状態制御や光スイッチングの応用に向けて、半導体ナノ構造を中心に盛んな研究が行われてきました。しかし、従来の半導体ナノ構造では、大きな光変調が実現するレーザー光の波長領域が限定的であり、また低温での報告に留まっていました。本研究では、ハライドペロブスカイト半導体ナノ粒子における大きなスピン軌道相互作用に起因した多準位電子状態を利用することにより、室温・光通信帯波長で効率的な超高速光変調が可能であることを明らかにしました。これらの結果は、次世代太陽電池材料として期待されるハライドペロブスカイト半導体が、従来の半導体ナノ構造では実現不可能であった新たな光スイッチングデバイスや光変調素子の材料としても有能であることを示した重要な成果です。

●用語解説●

半導体ナノ構造：半導体材料をナノメートル(10^-9 メートル)のスケールに微細化した構造を持つ材料。三次元のうち、三方向ともナノメートルスケールに閉じ込められているものをナノ粒子（量子ドット）、二方向から閉じ込められているものを量子細線、一方向からのみ閉じ込められているものを量子井戸という。

ハライドペロブスカイト半導体ナノ粒子：ABX₃型ペロブスカイト構造のAサイトに有機分子やセシウム、Bサイトに鉛やスズ、Xサイトにハロゲン（ヨウ素、臭素、塩素）を持つハライドペロブスカイト半導体を、ナノメートルのスケールに小さくした粒子。簡便な手法で作製でき、しかも極めて高い発光量子効率を持ち、高効率な発光ダイオード・太陽電池材料や光学利得媒質として注目されている次世代フォトニクス・光電変換材料である。

スピン軌道相互作用：電子のもつ軌道角運動量とスピン角運動量との間に働く相互作用であり、相対論的な効果から生じている。スピン軌道相互作用によって半導体中の電子状態は分裂する。

光通信帯波長：光ファイバの伝送損失が小さいため光通信に使用される1000 nm ~ 1675 nmの波長。

ポンプ・プローブ分光測定：ポンプ光パルスによって誘起した物質の状態変化をプローブ光パルスの強度変化として検知できる測定法。ポンプ光パルス照射下のみ生じる超高速な光応答の他、ポンプ光によって励起された電子の緩和ダイナミクスなどが測定でき、基礎物性測定のみならずデバイス性能評価に対しても広く用いられている。

アウトラー・タウンズ効果：複数の電子状態が存在している物質に光を照射した際、光と直接相互作用しない電子状態が関係する光応答も変調される効果。