2020 Fiscal Year Research-status Report
Novel detector of THz light using an array of quantum dots
| Project/Area Number |
20K03807
|
|---|
| Research Institution | Keio University |
|---|
Principal Investigator |
江藤 幹雄 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00221812)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 量子ドット / クーロンブロッケード / 光電流 / テラヘルツ波 / ディッケ効果 / アハラノフ・ボーム効果 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、量子ドット集合系にテラヘルツ（THz）光を当てたときの光電流（photocurrent）の物理を理論的に研究し、高感度THz光検出器への応用を提案することである。当該年度は、単一量子ドットにおける光電流の解析解の導出、および並列２重量子ドット系における光電流の示すアハラノフ・ボーム（AB）効果の理論的考察を行った。
単一量子ドットにおける光電流の定式化では、量子ドット中の電子間相互作用が無視できる状況に焦点を当てた。THz光を古典場として扱うと、時間依存性のある量子ドットでの非平衡輸送現象の問題となる。これまで、このような問題に対する解析解は、フォトン支援トンネル現象などに限られていた。我々は、電磁場に回転波近似を用いると、量子ドットと外部リード間のトンネル結合を厳密に取り入れて光電流の解析解が得られることを示した。その式は、平川グループ（東大生研）の実験結果を良く説明する。また、この新しい「時間依存性のある可解モデル」の導出は、物理学の基礎研究においても重要な成果である。
次に、上述の研究を、並列２重量子ドットにおける光電流の計算に拡張した。一方の量子ドットにおいて電磁波が吸収され、電子がフェルミ準位より上のエネルギー準位に励起された場合を想定する。励起後の電子の波動関数は、リードとのトンネル結合を通じて他方の量子ドットにも広がるため、外部磁場をかけるとAB効果によって影響を受けることが期待される。実際、解析解を求めたところ、次のことが明らかになった。(i)光電流は磁場と共にAB振動を示す。(ii)電磁波のエネルギーを変えると、AB振動の位相が緩やかに変化する。これにより、一方の量子ドットを透過する電子の位相差を光電流によって測定することが可能である。この非平衡電流の示す新しいAB効果は、今後、実験での検証が期待される。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題「量子ドット集合系にテラヘルツ（THz）光を当てたときの光電流の理論研究」はおおむね、当初の計画通りに進んでいる。「単一量子ドットの光電流の定式化」については、THz波を古典電磁場として扱ったときの光電流をKeldysh形式の非平衡グリーン関数法を用いて行った。量子ドット中の電子間相互作用が無視できる場合に対し、解析解を得ることに成功した。「光電流におけるアハラノフ・ボーム効果」に関しては、並列２重量子ドットにおける光電流を調べ、その解析解を導出した。光電流という非平衡輸送現象のアハラノフ・ボーム振動を利用することで、一方の量子ドットを透過する電子の位相差が測定できることの発見は想定外の成果であった。これらの研究結果について、日本物理学会第76回年次大会（オンライン開催）にて口頭発表を行った。現在、成果をまとめた論文を執筆中で、学術雑誌に投稿する予定である。
予算執行については、計画の変更があった。令和2年度に参加予定であった国際会議がコロナ禍のために延期になり、また日本物理学会秋季大会がオンライン開催となった。国内の研究者との研究打ち合わせもメールやオンラインでの実施となった。学会での成果発表等が令和３年度以降に持ち越されたため、それに伴い交付申請額の年度配分を変更した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
最初に、単一量子ドットにおける光電流の定式化、および並列２重量子ドットにおける光電流のアハラノフ・ボーム効果に関するこれまでの研究成果を学術論文にまとめる。次に、計算で用いた電磁波の回転波近似の正当性を詳細に検討し、それを超えた計算を行う。また、量子ドット中のフォノン励起の効果を取り入れ、光電流におけるフランク・コンドン効果等を明らかにする。さらに、電磁場の量子化を行うことで、単一量子ドットの高感度テラヘルツ（THz）光検出器としての性能評価を行う。
令和４年度以降、量子ドット集合系におけるディッケ効果の理論を構築する。隣接する量子ドット間の距離が照射するTHz光の波長に比べて十分小さい場合に生じる量子ドット間の量子相関（エンタングルメント）の効果を明らかにする。実際の実験系で不可欠な量子ドットの不均一性の効果、および位相緩和過程を取入れるため、光子のフォック・スペースにおける厳密対角化という大規模数値計算を実行する。さらに、単分子やカーボンナノチューブなどの光検出デバイスへの利用を検討する。THz光以外に、量子ドット集合系に表面弾性波（Surface Acoustic Wave; SAW）を当てた場合、機械振動子を結合した場合、等の実験状況の考察も本研究課題の対象である。
|
| Causes of Carryover |
当該年度に参加予定であった国際会議がコロナ禍のために延期になり、また日本物理学会秋季大会・年次大会がオンライン開催へ変更となった。国内の研究者との研究打ち合わせもメールやオンラインでの実施に変わった。以上の理由で旅費の使用がなくなった。また、大学のキャンパス閉鎖等により、物品費、人件費・謝金の予算も翌年度への持ち越しとなった。
翌年度、国際会議での成果発表、国内学会への参加・発表、および研究打ち合わせのために旅費を使用する。また、キャンパスの正常化の後、物品費、人件費・謝金の経費執行を計画している。
|
