2015 Fiscal Year Research-status Report
干渉型過渡反射率測定による固体中の量子コヒーレンス検出
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15K13377
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中村 一隆 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 准教授 (20302979)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 量子コヒーレンス / 電子フォノン結合系 / フェムト秒光パルス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子状態の持つコヒーレンスを活用することが、次世代量子デバイス開発には必要不可欠である。本研究では、アト秒の時間精度で位相制御した光パルス列を用いて時間差をつけて固体内部に生成する量子状態間の干渉を、過渡反射率計測により量子コヒーレンスを計測する新しい方法（干渉型過渡反射率計測法）を開発することを目的としている。
この目的の達成のために2015年度は、フェムト秒励起光パルスを評価するための、光学干渉計および周波数分解自己相関測定を、過渡反射率計測と同時に計測できるシステムを構築した。また小型クライオスタットを用いて低温（85Kまで冷却可能）での干渉型過渡反射率計測ができる装置を作成し、半導体 GaAs単結晶を試料とした計測を行った。その結果、85Kでは電子・フォノン結合状態の量子コヒーレンスが室温に比べて1.5倍程度長くなることが分かるとともに、量子干渉のパターンが低温と室温では大きく異なることを見出した。
理論解析では、二凖位電子状態とフォノンの調和振動子ポテンシャルで構成される電子・フォノン結合系モデルを用いて超短光パルス励起によるコヒーレントなフォノン励起に関する量子力学計算を行った。光パルスエネルギーの共鳴条件では、瞬間的光吸収過程と瞬間的誘導ラマン散乱過程が共存し、それらの寄与はパルス幅に依存することを見出した。瞬間的光吸収過程によるフォノン励起強度は、パルス幅の短い極限で最大であり、パルス幅の増加に伴い減少する。一方、瞬間的誘導ラマン散乱過程では、パルス幅がゼロ近傍ではフォノン励起に寄与しない。フォノン励起強度はパルス幅の増加にともない増加し、フォノン振動周期の半分程度のパルス幅のときに最大となり、そのあと減少していくことを見出した。この結果は高く評価されPhysical Review B誌(92 (2015144304)に掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
量子状態の持つコヒーレンスを活用することが、次世代量子デバイス開発には必要不可欠である。本研究では、アト秒の時間精度で位相制御した光パルス列を用いて時間差をつけて固体内部に生成する量子状態間の干渉を、過渡反射率計測により量子コヒーレンスを計測する新しい方法（干渉型過渡反射率計測法）を開発することを目的としている。本研究の目的に沿ってフェムト秒パルス列を300アト秒の精度で制御し、光パルス列の干渉と物質内部に記憶される量子状態の干渉を同時に計測できる、干渉型過渡反射率計測装置を立ち上げた。この装置と、準備研究用の小型クライオスタットを用いて、室温および低温（85K）においてGaAs単結晶内部における電子・フォノン結合量子系における量子コヒーレンス時間計測することに成功した。その結果、低温での量子干渉の振る舞いが室温のものと大きくことなっていることを初めて見いだした。また、さらなる低温での過渡反射率計測を可能とするために、現有の冷却器型のクライオスタットを低振動化するとともに試料移動機構の改造を行った。当初計画では、クライオスタットの４軸位置調整を行う予定であったが、反射率測定を行うと振動が大きいことが判明したため、低振動化に変更して対応した。
実験研究に加えて、フェムト秒光パルス照射による電子・フォノン結合系におけるフォノンのコヒーレント励起に関する量子力学計算を行った。光パルスエネルギーの共鳴条件では、瞬間的光吸収過程と瞬間的誘導ラマン散乱過程が共存し、それらの寄与はパルス幅に依存することを見出した。この結果は、コヒーレントフォノン生成メカニズムの系統的な理論解析として高く評価されPhysical Review B誌(92 (2015144304)に掲載された。
このような成果達成状況から区分（１）を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1)2015年度に組み立てた小型クライオスタットおよび干渉型過渡反射率計測装置を用いて、低温（85K）でのGaAs結晶中の量子コヒーレンス保持時間の、励起パルス幅依存性を調べる。
2)低振動化した冷却型クライオスタットを用いて、10Kまでの低温範囲での干渉型過渡反射率計測を可能とし、量子コヒーレンスの温度依存性の詳細について調べる。特に、温度に依存して変化するバンドギャップと光エネルギーの関係が量子コヒーレンスにおよぼす影響を調べる。
3)2015年度に構築した理論モデルを用いた量子力学計算を、アト秒精度で相対位相を制御したフェムト秒パルス励起の場合に拡張する。ここで拡張したモデルを用いて、実験から得られるGaAs結晶中の電子・フォノン結合系における量子干渉の振る舞いを定量的に解析する方法論を作成する。
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| Causes of Carryover |
2015 年度は現有の光学部品および小型クライオスタットを用いて実験を行った。一部必要な光学部品は運営費交付金でまかない、冷却型クライオスタット低振動化（2015年度末完成）した後の実験で必要となる光学系用部品として 2016年度に購入使用することにした。参加予定していた学会出張に関しては、他の研究課題での成果発表も合わせて行うこととなったため、運営費交付金等から支出した。また、研究打合せのための分子科学研究所出張に関しては、分子科学研究所の相手先研究者が応用セラミックス研究所客員准教授となったため、所内で研究打合せができたので当初予定した分子科学研究所出張費用は使用しなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当初計画していた光学部品に加えて、2015年度に改造した冷却型クライオスタットを使用するために必要な、フェムト秒パルス光入射系および反射光取り込み光学系を構築するための光学部品（反射防止膜コートミラー、ミラーホルダー、光学ポストなど）を購入し、10Kまでの低温での干渉型反射率計測システムを完成させる。研究成果を国内学会（日本応用物理学会、日本物理学会）で発表するとともにフランスで開催される国際会議（International Symposium on Ultrafast Intense Laser Science）で発表する予定である（招待講演の依頼有り）。
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