2017 Fiscal Year Annual Research Report
Coupling and Interference Dynamics of Complex Quanta in Semiconductor Microcavities
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16H04003
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
溝口 幸司 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10202342)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大畠 悟郎 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10464653)
田中 智 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80236588)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光物性 / 微小共振器 / 量子閉じ込め |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体微小共振器に観測される2量子間で生じる結合状態および干渉状態の変化を明らかにすることを目的に，種々の共振器構造を有する試料を作製し，角度分解透過スペクトルの変化について検討した。また，量子開放系における不連続準位と連続状態との間で生じる非対称な光学吸収スペクトルに関して，量子Liouville方程式を基に，非エルミートハミルトニアンを用いて，微視的立場から理論構築を行った。下記に主な研究成果を示す。
1．半導体微小共振器において，共振器層内の光子の閉じ込め度合いを示すQ値を変えた試料を作製し，その試料における角度分解透過スペクトルを測定することで，光子と励起子との間の結合状態の変化について研究を行った。その結果，半導体微小共振器のQ値によって，共振器ポラリトンモードの有無が生じることが明らかとなった。これは，弱結合状態と強結合状態の間の変遷を意味している。また，共振器ポラリトンモードによる透過スペクトルが，入射角とともに，対称形状と非対称形状の間で変化することを見出した。共振器ポラリトンモードの共鳴エネルギーと半値幅の入射角依存性，および，そのスペクトル形状の変化は，光子と励起子との結合を表す非エルミートハミルトニアンから得られる複素固有値および複素固有ベクトルを用いて，説明できることを見出した。
2．多重量子井戸構造において，ポンプ・プローブ分光法で得られた時間分解反射率変化が，励起子量子ビートとフォノンの結合を表す非エルミートハミルトニアンを用いた解析によって，説明できることを見出した。
3．量子Liouville方程式を基に，非エルミートハミルトニアンを用いて，微視的立場からファノ干渉に関する理論構築を行った。その結果，光学吸収に観測される非対称なスペクトル形状は，非エルミートハミルトニアンの複素固有値および複素固有ベクトルに起因していることが明らかになった。
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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
半導体微小共振器に観測される励起子と光子間（2量子間）で生じる結合現象や干渉現象の要因を明らかにすることを目的に，種々の共振器構造を有する試料を作製し，2量子間の結合状態の変化およびスペクトル形状の変化（ファノ干渉スペクトル）について検討した。その結果，2量子間の結合状態の変化やスペクトル形状の変化は，量子間の結合を表す非エルミートハミルトニアンから得られる複素固有値および複素固有ベクトルを用いて説明できることを見出した。この非エルミートハミルトニアンを用いた解析は，ファノ干渉に関する理論研究の成果を基に得られたものである。本研究課題の中心となる目的に対して基本的研究成果を見出したことから，本研究は概ね順調に進んでいると考えている。
また，量子干渉である励起子量子ビートとコヒーレントフォノン間の結合ダイナミクスに関しても，同様に，非エルミートハミルトニアンを用いた解析によって説明できることを見出した。ただし，半導体微小共振器において，同じ量子干渉であるラビ振動とコヒーレンフォノン間の結合ダイナミクスに関しては，今後の課題となった。最終年度で，ラビ振動とコヒーレンフォノン間の結合ダイナミクス，および，結合状態のコヒーレント制御を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は，先ず，前年度で課題となった半導体微小共振器中のラビ振動とコヒーレンフォノン間の結合ダイナミクスについて明らかにする。始めに，様々なQ値を有する半導体微小共振器を作製し，Q値とラビ振動との関係を明らかにする。特に，Q値の大きい半導体微小共振器において，ラビ振動とコヒーレントフォノン（2量子振動間）との結合ダイナミクスの要因を，理論および実験の両側面から検討する。
次に，2つの励起パルス（ダブルパルス）間の位相差を制御したダブルパルス励起を用いることで，ダブルパルス間の時間差によるラビ振動の振幅および緩和時間の変化を明らかにする。このダブルパルス励起を用い，2量子振動間の結合状態のコヒーレント制御に関して，理論および実験の両側面から検討する。
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