2017 Fiscal Year Annual Research Report
Formation mechanism and dynamic critical phenomena of a non-equilibrium strongly correlated electron-hole condensate
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17J01238
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
花井 亮 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 励起子ポラリトン / 励起子 / 非平衡定常状態 / 量子多体効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、励起子凝縮および励起子ポラリトン凝縮における非平衡量子多体現象についての理論研究を行った。
本研究ではまず励起子系について、ケルディッシュグリーン関数を用いることで粒子の流入・流出による非平衡性と電子正孔間引力相互作用による量子多体効果の両方を取り込んだ理論的枠組みを完成させた。これを用いることで系の非平衡性が、凝縮体の不安定化や、負の電子正孔対質量などの異常をもたらすことを明らかにした。
さらに、励起子ポラリトン凝縮体をも扱える枠組みへと理論を拡張することにより、実験で観測されるフォトルミネッセンスや光学利得吸収スペクトル等の物理量を解析した。この系では従来、 多体系の量子揺らぎがもたらす「量子depletion」により、負のエネルギーを持つBogoliubov分散がフォトルミネッセンスに現れると理論的に予想されてきた。しかしながら、この「負の分散」はほとんどの実験で観測されておらず、その理由は明らかにされて来なかった。本研究の理論解析の結果、非平衡性が 「負の分散」を強く抑制することが明らかとなった。本研究で得られた結果は数多くの実験グループで得られているスペクトル強度の特徴（凝縮体のブルーシフト、拡散型ゴールドストーンモードの出現、高波数領域のスペクトル強度の抑制等）を再現し、特にGaAsの実験については半定量的な一致を示した。さらに光学利得吸収スペクトルを解析した結果、やはり非平衡性により抑制されるものの、負の分散に光学利得が存在し、フォトルミネッセンスに負の分散がほとんど現れない領域でも吸収帯の”hole burning”として現れること示した。これは、量子depletionは強く抑制されているものの、負の分散へ散乱チャネルは存在していることを示している。
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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
今年度は、励起子および励起子ポラリトン系における、粒子の流入・流出による非平衡性を完全に取り込んだ枠組みを完成させることにより、非平衡定常状態特有の現象の予言や、光学特性を解析することが可能となった。励起子ポラリトン系のフォトルミネッセンスの解析結果は実験結果と半定量的なレベルで一致を示した。本研究によってほぼ解消された「負の分散」の問題は、当該研究分野において大きな謎とされてきた問題である。
以上より、研究は当初の計画以上に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は、今年度と同様のアプローチで非平衡定常状態を記述する繰り込み群を構築することにより、励起子ポラリトン系等の非平衡多体系における非平衡相転移や非平衡誘起の臨界現象を解析していく予定である。
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