音響波で揺れ動く原子層二次元半導体の励起子発光を多次元的に可視化 -発光の色・明るさ・寿命の超高速変化をリアルタイムに追跡、量子デバイス応用へ-

20206-08-28 慶應義塾大学,理化学研究所

慶應義塾大学と理化学研究所などの研究グループは、表面弾性波による微小な動的ひずみを利用して、原子3個分ほどの厚さしかない二次元半導体中の励起子発光を超高速・多次元的に可視化することに成功した。単層セレン化タングステンに周波数377 MHzの音響波を伝え、レーザーのタイミングを精密に同期させることで、約2.65ナノ秒の1周期内で発光の色、明るさ、スペクトル幅、時間変化を追跡した。その結果、最大約0.045%という極めて小さなひずみによって、励起子のエネルギー状態だけでなく、電子状態間の散乱や発光減衰過程も周期的に変化することを確認した。音響波を利用して励起子の発光特性をリアルタイムに制御できることを示した本成果は、励起子輸送デバイス、ひずみセンサー、単一光子源など、次世代の光・量子デバイス開発につながる基盤技術として期待される。

音響波で揺れ動く原子層二次元半導体の励起子発光を多次元的に可視化 -発光の色・明るさ・寿命の超高速変化をリアルタイムに追跡、量子デバイス応用へ-
(A) 表面弾性波による原子層二次元半導体の励起子発光変調の模式図. (B) 作製した表面弾性波デバイスと単層セレン化タングステンの顕微鏡写真.

<関連情報>

二次元半導体における伝搬音響歪み下での励起子ダイナミクスの多次元スペクトル時間イメージング Multidimensional spectro-temporal imaging of exciton dynamics under propagating acoustic strain in two-dimensional semiconductors

Yuta Takahashi, Takumi Yamamoto Hidetoshi Kanzawa, Kazuki Maezawa, […] , and Shun Fujii
Science Advances  Published:21 Aug 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aef5458

Abstract

Dynamic strain offers a promising route to manipulate tightly bound excitons in two-dimensional semiconductors. Its impact, however, has so far been inferred primarily from time-averaged or spatially integrated measurements. In particular, for dynamic strain driven by surface acoustic waves (SAWs), the relatively small strain amplitude and competing piezoelectric effects have hindered direct access to the real-time evolution of exciton emission energy and recombination dynamics within a single acoustic cycle. Here we report a fully phase-synchronized, multidimensional spectro-temporal-spatial visualization of exciton emission in monolayer tungsten diselenide driven by propagating SAWs. By integrating phase-resolved microscopy and interferometric surface displacement measurements, we achieve simultaneous mapping of exciton emission energy, photoluminescence intensity, linewidth, and decay dynamics and directly correlate them with the dynamic strain field. Our work establishes propagating acoustic strain as a powerful platform for deterministic exciton control and provides a comprehensive framework for exploring nonequilibrium exciton dynamics in low-dimensional materials.

0403電子応用
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