2023 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of dynamics and controllability of optically injected valley carriers
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21K03420
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| Research Institution | Wakayama University |
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Principal Investigator |
秋元 郁子 和歌山大学, システム工学部, 准教授 (00314055)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中 暢子 京都大学, 理学研究科, 教授 (10292830)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | バレーキャリア / バレーダイナミクス / IV族半導体 / サイクロトロン共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、半導体物性物理学分野では電荷に代わるスピンやバレーなどの量子自由度が新たに注目され、省電力化をめざした次世代デバイスが開発されつつある。特に、室温でも堅牢な量子状態を用いるバレートロ二クス研究をさらに加速させるため、バレー分極の制御方法の確立が強く求められている。本研究では、我々が近年有用性を示してきたナノ秒時間分解サイクロトロン共鳴法（TRCR法）を拡張し、光励起法によりバレー分極キャリアを注入したうえで、外場（電場）駆動によるバレー分極のダイナミクスを明らかにし、その制御方法の基礎を確立することを目的とする。
本研究では、高純度シリコン結晶試料（3 × 2 × 0.5 mm3）を用い、マイクロ波の共振器内で400 V/cm以下のDC電場を印加して、バレー電子への影響を温度5 KでTRCR測定により実験的に調べた。結晶の(001)面に垂直に電場を印加して、それと直交する[011]軸へ磁場印加する配置でTRCR法を実施し、同時に観測される電子と正孔キャリア種についてスペクトル分解の良い配置で、遅延時間ごとのスペクトル解析を行った。その結果、電場印加により、キャリア散乱が促進されること、サイクロトロン運動の質量が軽い電子の方が重い電子よりも信号強度の減少が顕著であることが明らかになった。これは電場加速による電子温度の上昇によりCR法では観測できない程に散乱レートが大きい状態になることを示す結果である。特に、光生成した励起子のインパクトイオン化が強く生じる時間帯で電子の熱化が著しく、その間にバレー間を散乱していることが分かってきた。一方で、CR法で観測されるバンド端に存在し続ける電子はバレー間緩和時間が数マイクロ秒程度に長く、バレー分極が保たれることが示された。つまり、バレー分極保持のために、電子温度の上昇を避ける必要があることが明らかになった。
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