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応用物理学：光子の化学ポテンシャルの制御を通した近接場フォトニック冷却
Nature 566, 7743 doi: 10.1038/s41586-019-0918-8
物質のフォトニック冷却によって、ボース・アインシュタイン凝縮体などの調べられていない物質状態の利用と、固体冷却の新しい方法の両方が可能になった。こうしたフォトニック冷却法に不可欠なのは、レーザーによるエントロピーの低いコヒーレント放射の使用であり、これによって、この冷却過程が熱力学的に実現可能になる。最近の理論研究では、コヒーレントレーザー放射を使わなくても、光子の化学ポテンシャルを調整することで、フォトニック固体冷却を実現できると示唆されているが、そうした冷却は実験的には実現されていない。本論文では、カスタムメイドのナノ熱量測定デバイスとフォトダイオードを使って、レーザー光を使わないフォトニック冷却を実験的に実証したことを報告する。我々は、ナノ熱量測定デバイスとフォトダイオードが互いの近接場内にあるとき、すなわち、熱量測定デバイスの平らな表面と、逆バイアスをかけたフォトダイオードの間の真空ギャップのサイズを数十ナノメートルまで小さくすると、ナノスケールのギャップを横切る光子の輸送を増強する光子トンネリングと、印加された逆バイアス下での光子の化学ポテンシャルの変化に起因する、フォトダイオードからの光子放出の抑制の組み合わせによって、熱量測定デバイスの固体冷却を実現できることを示す。コヒーレントレーザー放射を用いない能動的なナノフォトニック冷却が今回実証されたことで、固体冷却やオンチップデバイスの冷却のためにナノスケールのフォトニクスとオプトエレクトロニクスを系統的に調べる実験的基礎が築かれた。
