半導体超格子の室温テラヘルツ利得における動的電子相関の解明と制御
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21H01362
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
鵜沼 毅也 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (20456693)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋山 英文 東京大学, 物性研究所, 教授 (40251491)
玉山 泰宏 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50707312)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000)
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| Keywords | 半導体物性 / 超格子 / テラヘルツ/赤外材料・素子 / 半導体超格子 / テラヘルツ |
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| Outline of Research at the Start |
半導体超格子は，異なる半導体材料をナノメートル級の厚さで交互かつ周期的に積層した人工結晶であり，極低温に限らず室温でもテラヘルツ電磁波の増幅効果（利得）を有する。しかし従来の理論では，このテラヘルツ利得は複数の電子が独立して運動するという描像に基づいて理解されている。本研究では，応用上重要な電子密度を高めた状況において，電子同士が作用し合う現象（動的電子相関）がテラヘルツ利得に及ぼす影響を解明・制御することを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の成果を踏まえて超格子構造の工夫を進め，電子と共に正孔（電子の抜け穴）の状態も考慮に入れて，波動関数の空間的局在度が異なる構造におけるテラヘルツ放射の性質を以下の通り明らかにした。さらに，試料表面へ外部共振器を加工する際の技術的な問題点にも対策を施した。
直流電圧印加下で波動関数の局在度が高くなる超格子試料について，超短光パルス励起により作られる電子の三次元的なエネルギー分布が，ブロッホ振動にどのような影響を及ぼすかを詳細に明らかにした。従来，励起された瞬間から電子が積層方向の印加電圧を感じることになるこの過程は，印加電圧に対する電子のステップ応答と等価であるという見方に基づいて解析され，積層方向へブロッホ振動する電子の複素伝導度スペクトルを与えてきた。しかし，この見方において，電子の面内運動は明示的な形では考慮されていない。本研究では，励起直後の電子が積層方向と面内方向に（すなわち三次元的に）エネルギー分布を持つことを考慮し，その分布を光パルスの中心光子エネルギーにより幅広く変化させながら，テラヘルツ放射波形を測定・解析した。その結果，電子をミニバンドへ励起する上で中心光子エネルギーが不足気味および過剰気味である場合，面内の運動エネルギーはそれぞれ界面ラフネス散乱とフォノン散乱を介して，ブロッホ振動の緩和時間を短くすることが判明した。また，テラヘルツ利得に重要なブロッホ振動の初期位相には，影響を及ぼさないことが分かった。
一方，ミニバンド間相互作用によって波動関数の局在度が低くなる超格子試料について，昨年度に観測されたブロッホ振動の特異な初期位相の背後にある，電子および正孔の状態をシミュレートした。その結果，低い直流電圧印加下では一個の正孔波動関数に対して数個の特定の電子波動関数が大きな重なりを持ち，光パルス励起のために重要であることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度に引き続き，半導体超格子における構造の工夫を進めて動的電子相関を多角的に明らかにし，専門誌に原著論文として掲載されるレベルの成果を積み重ねた。また，外部共振器による動的電子相関の制御を行うための試料加工上の問題点も解消し，来年度に向けて実験を発展させることができた。以上のことから，目的の達成に向けて研究が順調に進展していると評価される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度までの物理的な理解および試料加工方法の改良に基づいて，外部共振器による動的電子相関の制御を進める。得られる結果を超格子構造と外部共振器構造の設計にフィードバックしながら，両構造の最適化を図っていく。最終年度になるので，3年間の研究成果を体系的にまとめることにも注力する。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
