2016 Fiscal Year Annual Research Report
サブケルビンにおける低次元励起子量子凝縮相転移と自発的空間量子干渉性
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16H04002
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
赤井 一郎 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (20212392)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島本 知茂 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 技術専門職員 (70419638)
岩満 一功 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教室系技術職員 (00768236)
細川 伸也 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (30183601)
市川 聡夫 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (30223085)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 励起子 / ボーズアインシュタイン凝縮 / 超低温 / 量子凝縮相転移 / 自発的空間量子干渉性 / データ駆動科学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光物性分野において、励起子ボーズ・アインシュタイン凝縮(X-BEC)状態の巨視的量子状態を応用した量子干渉デバイスは、実現すべき夢の1つである。本研究では、僅かに格子定数の異なる基板間に融解・エピタキシャル再結晶化させた亜酸化銅薄膜結晶を対象とし、3He冷凍機型光学クライオスタットを用いて、X-BEC状態の探索とその物性解明を目的とする。
当該年度は励起レーザーと、微弱発光検出用の液体窒素冷却型CCD検出器を整備した。また3He冷凍機光学クライオスタットは、試料を直接冷却するために液化3Heが導入される3He試料ポットの体積を大きくし、3Heの増量による冷却能力向上のための改造を行った。それを用いて予冷用液体4Heを導入したワンショット測定環境で800 mKの超低温を実現した。
用いる亜酸化銅薄膜結晶は、基板との格子不整合由来の応力により、励起子を2次元的にトラップする空間ポテンシャルが形成されていると考えられる。当該年度は、それを実証するため放射光を用いた面内格子定数の測定・解析と、発光スペクトルの偏光特性を詳細に調べた。得られた結果は予測された応力で定性的に説明できるもので、現在定量的解析を進め論文投稿準備を進めている。
1K以下の超低温環境において観測が期待できる発光スペクトルは微弱であるとともに、得られるスペクトルのスペクトル分解・形状解析から、励起子の有効温度や従う量子統計の同定が可能である。そのためにはベイズ推定によるスペクトル分解解析法の確立が必要で、その解析法の構築を進めた。
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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
当初の計画通り3He冷凍機光学クライオスタットの試料空間の拡張は完了し、それを用いて1K以下の超低温を実現した。またこれらの超低温環境下の光学測定システム開発については日本物理学会等で発表を行った。
亜酸化銅薄膜結晶内の励起子トラップポテンシャル形成については、放射光計測と発光スペクトルの偏光特性から実証することが出来た。これらの成果も学会や全国大会の学会で発表し、論文の投稿準備中である。
サブK環境下で測定される発光スペクトル解析に必要なデータ駆動科学的スペクトル解析法については、ベイズ推定を用いた取り組みを進めており、発光スペクトルの偏光特性解析で有効であることを確認している。これらの成果については学会で発表し、関連論文として掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでにサブケルビンは実現したが、正確な試料を温度を測定するために、0.05～40Kで使用可能な校正温度計を導入する。
トラップポテンシャルの空間構造については、SAGA-LSの放射光を用いた薄膜中in-plane構造解析結果について論文投稿の成果発表を行う。
本実験では超低温光学測定を行うため、微弱光励起で、微弱光を検出する極限測定が必要である。データ駆動科学では、適切な計測物理モデルを用いることで、実験をシミュレートすることが可能である。この仮想計測解析法を用いて、我々が用いる計測システムにおける、最適計測条件をシミュレートして、実験法の最適化を進める。
今後X-BEC状態探索のための超低温光学測定を始める。励起はレーザーを減光してファイバー経由で導入し、試料の発光は、バンドルファイバーで外部に取り出し、分光器へ導入し発光スペクトルを測定する。当初は試料温度上昇を防ぐために微弱光励起で行う。しかし、デュワーに液体4Heを導入するワンショット測定となるため、発光スペクトルの積算時間が不足する場合が想定される。その場合は、大型のデュワーが利用できる様に、全てのシステムを別室に移動させ、長時間積算を目指す。
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