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テラヘルツ時間領域分光法によるシリコンの高密度励起子系の研究

Publicly Offered Research

Project AreaOptical science of dynamically correlated electrons in semiconductors
Project/Area Number 21104505
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

島野 亮  東京大学, 大学院・理学系研究科, 准教授 (40262042)

Project Period (FY) 2009 – 2010
Project Status Completed (Fiscal Year 2010)
Budget Amount *help
¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
Fiscal Year 2010: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2009: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Keywords励起子 / テラヘルツ時間領域分光法 / 励起子モット転移 / 間接遷移型半導体 / フォノン緩和 / Si / 電子正孔プラズマ / モット転移 / 絶縁体金属転移 / ボースアインシュタイン凝縮 / テラヘルツ / プラズマ / 電子正孔液滴
Research Abstract

テラヘルツ時間領域分光法によりSiの間接遷移型励起子の高密度励起効果を調べた。まず、フェムト秒光パルス照射によりバンド間励起された自由電子と正孔からどのような時間スケールで励起子が形成され、さらにそれが格子と熱平衡状態に至るかを調べた。約3THz(12meV)にある励起子1s-2p遷移をプローブとして、励起子形成ダイナミクスを詳細に調べた結果、約400~600psで励起子が形成されることがわかった。この有限の励起子形成時間は、自由キャリアの冷却過程を反映しているものと考え、光学フォノン緩和および音響フォノン緩和を仮定し解析を行った。数値シミュレーションは、観測された光励起後の自由キャリアの温度変化(冷却過程)をよく再現し、光励起後200ps以降の緩和機構として音響フォノン緩和が支配的であることがわかった。また2ns後には励起子系は格子系とほぼ熱平衡状態にあることと結論した。次に、高密度領域における励起子の安定性を明らかにするために、励起子1s-2p遷移エネルギーが電子正孔密度とともにどのように変化するかを調べた。その結果、励起子1s-2p遷移エネルギーは電子正孔密度によらずほぼ一定の位置にとどまること、さらに、乱雑位相近似から予想される励起子モット転移(正確にはクロスオーバー)濃度を越えても励起子1s-2p遷移の位置にピーク構造が残存することがわかった。これは、従来の解釈、即ち、励起子束縛エネルギーが密度の増加とともに連続的に減少し金属相へと移行するという励起子モット転移(クロスオーバー)の描像と異なる結果であった。本研究により、電子正孔系の絶縁体金属転移(励起子モット転移)における動的電子相関をテラヘルツ分光法によりとらえる手法が開拓された。

Report

(2 results)
  • 2010 Annual Research Report
  • 2009 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2011 2010 2009 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (15 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Exciton Mott transition in Si studied by terahertz spectroscopy2011

    • Author(s)
      R.Shimano, T.Suzuki
    • Journal Title

      Physica Status Solidi(c)

      Volume: 8 Pages: 1153-1156

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cooling dynamics of photoexcited carriers in Si studied using optical pump and terahertz probe spectroscopy2011

    • Author(s)
      T.Suzuki, R.Shimano
    • Journal Title

      Phys.Rev.B

      Volume: 83

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] テラヘルツ分光法による磁場下Si励起子の微細構造の観測2011

    • Author(s)
      柳済允, 鈴木剛, 池辺洋平, 島野亮
    • Organizer
      2011日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      (東北太平洋地震のため中止。学会方針により一般講演はweb上での資料公開により成立。 講演資料公開サイト(2011年5月6日~8月31日))
    • Year and Date
      2011-03-25
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] バルクGaAsにおける励起子モット転移2011

    • Author(s)
      鈴木剛、 島野亮
    • Organizer
      2011日本物理学会年次大会
    • Place of Presentation
      (東北太平洋地震のため中止。学会方針により一般講演はweb上での資料公開により成立。 講演資料公開サイト(2011年5月6日~8月31日))
    • Year and Date
      2011-03-25
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Siにおける低温・高密度励起子の生成法の研究2011

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      新学術領域研究「半導体における動的相関電子系の光科学」第4回シンポジウム
    • Place of Presentation
      京都大学
    • Year and Date
      2011-01-06
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] テラヘルツ分光の基礎と物性科学への応用2010

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      先端光量子科学アライアンスセミナー
    • Place of Presentation
      東京大学(チュートリアル講演)
    • Year and Date
      2010-12-22
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      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Terahertz spectroscopy in solids ; from semiconductor to strongly correlated electron system2010

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      理研エクストリームフォトニクスセミナー
    • Place of Presentation
      理化学研究所(招待)
    • Year and Date
      2010-11-25
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] 高密度光励起下におけるGaAs励起子のテラヘルツ分光2010

    • Author(s)
      鈴木剛、 島野亮
    • Organizer
      2010日本物理学会秋季大会
    • Place of Presentation
      大阪府立大学
    • Year and Date
      2010-09-25
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Formation dynamics of excitons in Si2010

    • Author(s)
      T.Suzuki, R.Shimano
    • Organizer
      NOEKS2011 : The International Workshop on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors
    • Place of Presentation
      Paderborn, Germany
    • Year and Date
      2010-08-17
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Exciton Mott transition in Si studied by terahertz spectroscopy2010

    • Author(s)
      R.Shimano, T.Suzuki
    • Organizer
      NOEKS2011 : The International Workshop on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors
    • Place of Presentation
      Paderborn, Gennany
    • Year and Date
      2010-08-17
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] テラヘルツ時間領域分光法の新展開:半導体から強相関電子系まで2010

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      H22第一回テラヘルツ電磁波技術研究会、H22第一回テラヘルツ応用システム研究会共催「テラヘルツ分光計測とイメージング」研究討論会
    • Place of Presentation
      三国観光ホテル,福井県坂井市(チュートリアル講演)
    • Year and Date
      2010-08-06
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      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] テラヘルツ時間領域分光法で探るSiの光励起ダイナミクス2010

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      新学術領域研究「半導体における動的相関電子系の光科学」合同シンポジウム
    • Place of Presentation
      日本科学未来館
    • Year and Date
      2010-05-27
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Siにおける高密度光励起電子正孔系の冷却ダイナミクスの観測2010

    • Author(s)
      鈴木剛、島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2010年年次大会
    • Place of Presentation
      岡山大学
    • Year and Date
      2010-03-20
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Presentation] Gas-liquid and insulator-metal transition in photo-excited electron-hole system in Si2010

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      Yonsei-Todai Joint Workshop
    • Place of Presentation
      Yonsei Univ., Seoul, Korea
    • Year and Date
      2010-02-12
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Presentation] Insulator to metal transition in excitonic system and spin density of wave system studied by terahertz spectroscopy2009

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      G-COE Workshop on Condensed Matter and Photo Sciences
    • Place of Presentation
      Univ.of Tokyo
    • Year and Date
      2009-10-07
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Presentation] テラヘルツ分光で探る半導体高密度電子正孔系の量子多体現象2009

    • Author(s)
      島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2009年秋季大会シンポジウム
    • Place of Presentation
      熊本大学
    • Year and Date
      2009-09-28
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Presentation] Siにおける励起子・電子正孔液滴形成ダイナミクスの温度依存性2009

    • Author(s)
      鈴木剛、島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2009年秋季大会
    • Place of Presentation
      熊本大学
    • Year and Date
      2009-09-25
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • Related Report
      2009 Annual Research Report

URL: 

Published: 2009-04-01   Modified: 2018-03-28  

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