2018 Fiscal Year Annual Research Report
干渉型過渡反射率測定による電子・フォノン結合量子系のコヒーレント制御
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17H02797
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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, 科学技術創成研究院, 准教授 (20302979)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鹿野 豊 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任准教授 (80634691)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2018年度までに、半導体単結晶GaAs(100)に対してフェムト秒パルスレーザー（50fs程度のパルス幅）を用いた干渉型過渡反射率計測実験を行い、電子・フォノン結合量子系における量子コヒーレンスの計測と制御を行った。90Kの試料温度で、n-型 GaAs(100)において、相対位相固定したポンプパルス対を用いたポンプ・プローブ測定により、コヒーレント縦型光学（LO）フォノン振動を計測した。平行偏光条件で、ポンプパルス対間隔を300asステップで変えながら過渡反射率計測を行うことで、LOフォノン振動振幅の干渉に加えて、約2.7fs周期の電子状態のラムゼイ干渉が観測できた。このことは、電子コヒーレンスをLOフォノンのコヒーレンスに焼き付けて観測していることに対応する。励起光パルスの光学干渉との比較から、バルクGaAs中の電子コヒーレンスが約50fs程度保持されていることを明らかにした。対照実験として直交偏光パルス対での励起実験を行うと、フォノン干渉のみが観測されることから、平行偏光条件での干渉が電子コヒーレンスによることを確認した。また、電子コヒーレンンスによる干渉は、パルス間隔50fs近傍で崩壊と復活の特徴的な振る舞いを示した。電子2バンドと変位した調和振動子の２準位で構成される系を用いて量子論モデルで系の時間発展を計算し、コヒーレントLOフォノン強度の励起パルス対遅延時間依存性を求めることで実験結果をよく再現することができ、電子コヒーレンスの崩壊と復活の振る舞いは誘導ラマン過程における量子経路干渉に起因することを示した。このことから、不透明領域においてもコヒーレントLOフォノン生成には誘導ラマン過程が支配的であることが示された。さらに(GaAs/AlAs)量子井戸試料や超電導物質YBa2Cu3O7-dについても干渉型過渡反射率計測測定に着手している。
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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
本研究の目的である「光パルスの位相を含めてアト秒の時間精度で制御したフェムト秒パルス列を用いた過渡反射率計測（干渉型過渡反射率計測）を用いることで、バルク固体中の電子・フォノン結合系における量子コヒーレンスを計測・制御すること」に関して、2018年度までに半導体単結晶GaAs(100)を試料として、試料温度90Kにおいて電子コヒーレンスをLOフォノンのコヒーレンスに焼き付けて観測することに成功している。これは、レーザーを含めた装置全体の空気の流れおよび温度安定性を向上させること、光強度安定性の常時モニター、干渉計および計測系の自動測定プログラム作成により、24時間を超える長時間自動測定を可能にしたことによる。また、冷凍機型クライオスタットの試料取り付け部の改良により低振動を実現したことによる。さらに、レーザーパルス対の間隔や干渉性を正確に評価するために、一次光学干渉に加えて周期分解自己相関計測の同時測定装置を作成したことによる。これまでに、こうした装置開発も順調に進んでいる。干渉測定は、レーザー強度や波長の変化に敏感であるために、再現性をとるために長時間計測を、当初予測していたよりも多数回行う必要となっている。また、電子コヒーレンスに対するキャリアや温度の効果を調べるために、n型GaAs以外にp型やドープ無しのGaAsを用いた予備的な実験や、室温や10Kなどの異なる温度での実験を開始している。また、対照実験の観点から励起パルス対を直交偏光にした実験も行っている。理論では、これまでに構築した電子2凖位モデルを位相ロックパルス対励起に拡張し、実験結果を解析できるようになってきている。 得られた研究成果は、国内学会や国際学会で発表するとともに、国際会議での招待講演(QNO2018, ICMRE2019（予定）)も行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、半導体単結晶GaAs(100)を試料として、試料温度90Kで測定した干渉型過渡反射率計測の結果は、量子力学モデルを用いた理論計算との比較から、コヒーレントフォノン生成時における幾つかの量子経路干渉によることが示唆された。このことを実験的にサポートするための対照実験が必要である。今年度は量子経路干渉を確定づけることを目指し、引き続き半導体単結晶GaAs(100)に関する実験を行う。特に、ドーパントの異なるn-型、p-型そしてドープ無しの試料を用いること、励起ポンプパルス対の偏光依存性、励起エネルギー依存性、反射光測定の波長依存性の相互組み合わせ条件での実験を行う。これらは、我々の観測した電子コヒーレンスの干渉縞の振る舞いに対する、量子経路干渉以外（光干渉や多重モードによる干渉効果など）の効果を調べるために必要である。さらに、実験結果の確度をあげるために再現実験とその結果の比較を行う。2018年度までの実験により、GaAsのコヒーレントLOフォノン振幅が高強度励起の場合に飽和を示すことが得られた、今年度はLOフォノンおよびLOPCの励起パワー依存性を調べる。LOフォノン振幅の励起強度依存性は、干渉型過渡透過率計測における干渉縞強度変化から、コヒーレンスの変化を見積もる際に重要である。また(GaAs/AlAs)量子井戸および超電導物質であるYBa2Cu3O7-xに対する干渉型過渡透過率計測による量子コヒーレンス計測の実験を引き続き行う。
理論研究では、現在用いているモデルを２つの調和振動子モデルに拡張して、LOフォノンおよびフォノンプラズモン結合を同時に計算する理論を構築する。また、励起パワー依存性とフォノン強度の飽和を扱えるような２次の摂動計算を超えた理論構築を行う。
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