北海道大学電子科学研究所ナノ光機能材料研究分野の笹倉弘理助教、熊野英和准教授、末宗幾夫教授らの研究グループは、超伝導電極を付加した光ファイバー通信波長帯の光子を放出する発光ダイオード構造を作製し、光子生成過程が電子クーパー対の寄与により増幅されることを実証しました。次世代の量子情報処理技術の実用化に向けて、超伝導体は優れた量子系の安定性を有する量子ビット・高効率な単一光子検出器を実現する有力な候補と考えられ、研究開発が盛んに行われています。しかしながらこれまで情報伝送媒体としての光子と超伝導をつなぐ境界領域の学術的な基盤はほとんど構築されていませんでした。超伝導状態での電子は電子-格子相互作用を介して電子対を作ってボゾン化します。この状態では電子対は空間的に広がったコヒーレントな状態になっており、超伝導体に半導体などの常伝導体を接合すると、近接効果によって電子対が半導体中に侵入します。この電子対が通常の半導体バンド間発光過程に関与すると、従来とは異なる光子生成プロセスが起こることが理論的に予見されていました。本研究グループは超伝導体であるニオビウム(Nb)電極を付加したp-InP/n-InGaAs発光ダイオード構造（図１）を作製し、エレクトロルミネッセンスの過渡的変化を測定し、ニオビウム電極の超伝導転移温度以下で、光子生成過程の増強効果を確認しました（図２）。超伝導体と半導体のハイブリッド構造を用いた今回の成果は、量子暗号通信用の高効率単一光子及び二光子対生成源への応用だけでなく、超伝導フォトニクスという新たな学術領域への道を拓いたものです。
本研究は、(独)科学技術振興機構・戦略的創造研究推進事業「新機能創成に向けた光・光量子科学技術」に基づく田中和典研究員(浜松フォトニクス)、赤崎達志研究員(NTT物性科学基礎研究所)、高柳英明教授(東京理科大学)、ならびに浅野泰寛准教授(北海道大学)らとの共同研究で行われました。
