2021 Fiscal Year Research-status Report
Novel detector of THz light using an array of quantum dots
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20K03807
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
江藤 幹雄 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00221812)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 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 |
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| 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、その準備として、単一量子ドットにおける光電流の定式化、電子フォノン相互作用に起因するFranck-Condon効果の光電流への影響の考察、および並列２重量子ドット系における輸送特性の研究を行った。
単一量子ドットにおける光電流に関して、昨年度は回転波近似を用いることで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を得た。今年度は、THz波を照射した量子ドットの別のモデルに対して、回転波近似を用いずに光電流の厳密な定式化を行った。THz波と電子との相互作用が小さい場合に光電流の解析解を求めた。この解析解は、電子間相互作用等を取り入れるために有効である。
単分子を量子ドットに用いる単分子デバイスでは、電子フォノン相互作用が大きくはたらく。その結果、Franck-Condon効果によって光電流が抑制されることが知られている。平川グループ（東大生研）の実験では、THz波の照射によってフォノンが励起され、その結果、Franck-Condon効果による光電流の抑制が緩和されることが観測されている。我々は、THz波によるフォノン制御、およびその光電流への影響を理論的に導出し、実験結果を説明した。
並列２重量子ドット系における電気伝導では、２重スリットとしての干渉効果、および電子間相互作用に起因する近藤効果が共存する。多端子系を用いると、近藤領域の量子ドットを透過する電子の位相差測定が可能となる。我々は近藤効果の厳密解を用いて電気伝導度を評価し、高田（産総研）らによる位相差測定の実験結果を説明することに成功した。
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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
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２つのモデルを考察した。量子ドット中の２準位間の光学遷移による光電流を表すモデル、および量子ドット中の１準位がTHz波照射で時間的に振動するモデルである。いずれも、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を求めた。「並列２重量子ドットにおける光電流」に関しては、磁場をかけたときのアハラノフ・ボーム効果が光電流に反映することを解析的に示した。この成果を、第24回２次元電子系国際会議（ep2ds-24; オンライン開催）にて報告した。
今後の量子ドット集合系における光電流の増大機構の究明、およびその位相緩和現象の解明のため、多角的な基礎知識の蓄積も進めている。「電子フォノン相互作用、特にFranck-Condon効果による光電流の抑制機構」について、理論的な定式化をおこなった。また、THz波の照射によってフォノンが励起される効果を調べ、実験結果を説明した。「並列２重量子ドット系における輸送特性」の研究では、電子間相互作用に起因する近藤効果を厳密解を用いて評価した。また、多端子系による電子の位相差測定を検証し、その成果を日本物理学会欧文誌に発表した。
予算執行については、計画の変更があった。令和2年度、３年度に参加予定であった国際会議や国内学会がコロナ禍のために延期、または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。それに伴い交付申請額の年度配分を変更した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの「単一量子ドットにおける光電流」、「並列２重量子ドットの光電流におけるアハラノフ・ボーム効果」等の理論研究を拡張し、量子ドット集合系における光電流、特に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。同時に「電子フォノン相互作用、特にFranck-Condon効果による光電流の抑制機構」の定式化を改良し、そのディッケ効果への影響を明らかにする。
令和５年度は、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。
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| Causes of Carryover |
当該年度に参加予定であった国際会議、日本物理学会秋季大会・年次大会がコロナ禍のためにオンライン開催に変更となった。国内外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。さらに、コロナ禍に伴う大学の研究活動制限指針により、当初の予定通りに物品の購入やアルバイト雇用の実施ができず、物品費、人件費・謝金の予算も翌年度へ持ち越しとなった。
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、物品費、人件費・謝金の経費執行を計画している。
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