荒川 泰彦/ARAKAWA Yasuhiko

荒川 泰彦 教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
量子ナノデバイス工学
【研究室URL】
http://www.qdot.iis.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

ナノメートル級の構造を半導体において形成し、新しい物理現象を発見するとともに、新機能の創出をはかる研究が、半導体ナノサイエンス&テクノロジーです。量子ドットは、電子の3次元量閉じ込めを実現するナノ構造であり、しばしば、人工原子とも呼ばれます。この量子ドットは、1982年に荒川・榊により提唱されたものであり、半導体物理学における重要な一研究分野を形成してきました。また、量子ドットーザ、量子情報素子および高効率太陽電池など、さまざまなデバイスへの応用を展開してきました。
荒川研究室は、岩本敏准教授の研究室と共同運営のもと、量子ドットやフォトニック結晶などのナノ構造を用いて、量子状態制御に関わる物性物理の理解を深めるとともに、新しい量子ナノフォトニックデバイスの開拓を図っています。また、全学組織である「ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構」の機構長を務めるとともに、2010年から始まった最先端研究開発支援(FIRST)プログラムで選ばれた我が国の30人のトップ研究者の一人として、フォトニクスとLSIの融合を目指した大型国家プロジェクトを推進しています。
学生や若手研究者の諸君には、サイエンスとエンジニアリングの両方の視座をもって、高い学術目標に向けて日々活発に研究に取り組むことを期待しています。研究室は国際性に富んでおり、イギリス、フランス、韓国、中国などから多くの学生や若手研究者が参加しています。以下、主要研究テーマについて説明します。

量子ドットの結晶技術の確立と電子・光・スピン物性の探究

量子ドットの形成過程の理解とその制御について、先駆者の一人として長年取り組んできています。MBE(3台)、MOCVD(3台)などを駆使して、ガリウム砒素系や窒化ガリウム系半導体をベースとした世界最高水準の量子ドットを実現しています。また、顕微レーザ分光等により、量子ドットにおける量子相互作用の物理の研究を進めています。

固体量子電磁力学研究と究極のナノフォトニックデバイスの実現

フォトニック結晶と量子ドットの結合系を形成し、固体中の量子電磁力学、特に、単一光子と単一電子の強い相互作用の基礎過程を明らかにしています。最近、単一人工原子レーザの実現、三次元フォトニック結晶ナノ共振器レーザの実現等に成功しました。

ナノ量子情報デバイスおよび量子ドット太陽電池の研究

量子ドットやフォトニックナノ構造技術を駆使して、単一光子発生器の開発を行うとともに、量子もつれ状態を生成する新素子の研究を推進しています。さらに、高効率量子ドット太陽電池実現の研究も行っており、最近では、従来信じられてきた変換効率の理論限界を超える量子ドット太陽電池の新構造を提案するなど、いくつかの成果を達成しました。

光電子融合(LSIとフォトニクスの融合)に向けたナノフォトニクス研究

シリコン上量子ドットレーザやナノレーザなどを中核にして、光インターコネクトを含む将来のLSIとフォトニクスの融合に向けた光電子融合技術の基礎研究を推進しています。

学生へのメッセージ

荒川研究室は、「オリジナリティの高い基礎研究の探究」と「未来社会にインパクトを与える革新素子の開発」の両方を目指して研究を進めています。先端科学研究の取り組みは、スリリングで魅力的な知的活動ですが、実際には常に険しい道を登り続けることが求められます。しかし、小さな一歩を重ねれば、いつか必ず鮮烈な喜びに遭遇することができますので、それを楽しみにして頑張って下さい。しっかりした基礎学力と高い研究意欲を持つことが最も重要です。下記URLにおける私のインタビュー記事を読んでみてください。

http://www.nanonet.go.jp/japanese/mailmag/2003/026a.html
http://www8.cao.go.jp/cstp/nanoweb/arakawa.html

図1:量子ドットとフォトニック結晶により、光子、電子、スピンの完全制御をはかる
図2:四半世紀前に提案した量子ドットレーザが、21世紀の革新的レーザの代表格
図3:0次元励起子と0次元光子の強い相互作用:固体中の量子電磁力学現象の観測
図4:世界初、光通信波長帯での単一光子発生素子の実現