ＪＳＴ 課題達成型基礎研究の一環として、大阪大学の水落 憲和 准教授と産業技術総合研究所の山崎 聡 主幹研究員らのグループは、人工ダイヤモンドを用いて室温で電気的に単一光子を発生させることに世界で初めて成功しました。
近年、量子暗号通信は理論上、どのような技術でも盗聴できない究極の通信技術として期待されており、世界的にも多くの企業が研究開発を行っています。この実現には、情報を載せる光子の１個１個を必要なときに簡易かつ確実に発生させる単一光子源が求められています。ところが、これまでの量子ドットや有機分子を用いた単一光子源は、室温では不安定でほとんど光らなくなるため、極低温での冷却が不可欠でした。また、室温で単一光子を発生できても、光励起のためのレーザーが必要なものしか実現されておりません。つまり、エネルギーやコストの制約が単一光子源の実用化・普及の課題となっていました。
今回、ダイヤモンドを材料とし、そこに埋め込まれている炭素原子の抜け穴と窒素原子の複合体（ＮＶ中心・図１）が室温でも安定に発光することに着目、単一光子源として用いて、電流で動作させることに挑戦しました。具体的には、高度な製造技術によって高品質ダイヤモンドの薄い発光層をｎ層とｐ層で挟み、発光層に電気が流せるＬＥＤ素子を作製しました。さらに、光子相関法などの精密な測定法により、単一光子源として世界で初めて室温で電気的に動作していることを実証しました（図２）。