2011 Fiscal Year Annual Research Report
高強度テラヘルツ電場によって実現する新しい物質状態
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23244065
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 耕一郎 京都大学, 物質-細胞統合システム拠点, 拠点 (90212034)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白井 正伸 京都大学, 物質-細胞統合システム拠点, 特定助教 (30303803)
廣理 英基 京都大学, 物質-細胞統合システム拠点, 特定助教 (00512469)
菱田 真史 京都大学, 物質-細胞統合システム拠点, 特定研究員 (70519058)
ブランチャード フランソワ 京都大学, 物質-細胞統合システム拠点, 特定研究員 (00571358)
有川 敬 京都大学, 大学院・理学研究科, 助教 (70598490)
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| Keywords | テラヘルツ / 非線形分光 / 高強度テラヘルツ光 / キャリア増幅 / 半導体光物性 |
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| Research Abstract |
本研究においては、高強度テラヘルツ電場を固体に照射することにより、基底状態の物質状態を大きく変革して新しい物質状態を生み出すことを目的とする。強電場を生み出すための光源/分光システム開発をおこなうとともに、半導体試料やグラフェンにおいて巨大な非線形光学応答を見いだした。システム開拓では以下の成果をあげた。(1)チェレンコフ方式のテラヘルツ発生法を改良し1MV/cm以上の電場強度を有するシングルパルステラヘルツ光の発生に成功した。(2)大気レーザープラズマを用いたテラヘルツ高強度テラヘルツポンプー近赤外プローブの実験系を構築し、200fs以下でほぼハーフサイクルのテラヘルツ光照射を可能にした。(3)真空チャンバーをもちいた高安定なテラヘルツ測定装置の基本設計および真空系の立ち上げを終了した。非線形光学測定においては、(4)GaAs多重量子井戸において0.5W/cm以上の電場強度のテラヘルツパルスを照射すると、多段的な衝突イオン化によってキャリアが3桁以上増幅されることを明らかにした。このキャリア増幅過程を詳しく調べるために、光生成したキャリアのテラヘルツ電場応答を時間領域で詳しく調べた。テラヘルツ光照射の有無により発光の時間応答は大きく変わることがわかった。これは、励起子がイオン化し自由キャリアの状態を経て、また励起子に戻る際の「内部量子効率」を反映していると考えられる。また、(5)グラフェンにおいて200fs以下のハーフサイクルテラヘルツ光照射により、近赤外領域で14%にもおよぶ吸収飽和を観測した。テラヘルツ光のフォトンエネルギーは近赤外光の100分の1程度であることから、この吸収飽和はテラヘルツ光により作られた極めて非摂動論的な状態を反映しているものと考えられる。これを説明するための定性的理論モデルの構築をおこなった。
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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
1MV/cm以上の電場強度で試料に照射可能なテラヘルツ非線形光学分光装置を完成させ、GaAs多重量子井戸において巨大なキャリア増幅を伴う非線形光学効果を観測した。また、grapheneにおいても巨大な非線形光学効果を明らかにすることができたことから、当初の計画以上の進展であると自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに整備した高強度THz光源と真空チャンバーシステムを結合させ、安定な測定環境を実現する。また、理論研究を同時にすすめて、高強度THz照射下でおきる非線形光学応答の全容の解明を目指す。具体的には。(1)真空チャンバーシステムをもちいた安定な高強度THz光をもちいたテラヘルツ非線形分光装置を完成させる。(2)等間隔なフェムト秒パルス列を用意し、ニオブ酸リチウム結晶を用いることで、1-2THzの中心周波数で200-400GHzの線幅をもつ高強度テラヘルツ光発生をおこなう。(3)上記の光源をもちいて高純度なGaAsバルク結晶や磁性体結晶における非線形光学応答の計測を始める。(4)高強度THz照射下でおきる非線形光学応答の理論計算を開始する。最終的には半導体プロッホ方程式とホルツマン方程式をもちいた非線形輸送現象の理論計算が可能になるように、理論のプラットフォームの構築を開始する。
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