2021 Fiscal Year Annual Research Report
THzメタマテリアル共振器によるフォノン強結合状態の実現と物性制御への応用
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21H01842
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
廣理 英基 京都大学, 化学研究所, 准教授 (00512469)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 駿丞 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (90855462)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / 強結合 / ペロブスカイト半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「光による物性制御、及び新奇な物性の創発」は光物性物理分野の究極の目標の一つである。従来の高強度な光(レーザー)による物質駆動では、光から物質へのエネルギー移行に伴う熱の発生や破壊現象の誘発、あるいは散逸によるコヒーレンスの消失等の問題があり応用へ向けて解決すべき課題がある。本研究では、テラヘルツ（THz）周波数帯の「電磁場の量子揺らぎ」（ゼロ点振動場）を、金属メタマテリアル共振器（キャビティ）を通して閉じ込め、物質中のフォノン（格子振動）やマグノン（スピンの集団運動）との強結合状態を実現することで物性の制御を目指している。R３年度は、ハロゲン化ペロブスカイト半導体のCH3NH3PbI3の0.95THzのフォノン（Pb-I-Pb結合の振動）をナノ構造の分割リング共鳴器（SRR）で真空光子に結合し、最後にSRRのギャップを100nmに狭めていわゆる超強結合の実現を目指し、強いフォノン吸収（TOフォノン）をもつペロブスカイト半導体MAPbI3試料上にキャビティ強結合するリング型の金属メタマテリアル構造を試作した。結合強度を調べるために、ペロブスカイト膜でコーティングしたSRRの透過スペクトルを検出するTHz分光法の構築を行った。SRRの吸収ピークの周波数がフォノン周波数と等しいときにラビ分裂を観測した。
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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
これまでに、ハロゲン化ペロブスカイト半導体のCH3NH3（MA）PbI3の0.95THzのフォノン（Pb-I-Pb結合の振動）をナノ構造の分割リング共鳴器（SRR）で真空光子に結合し、最後にSRRのギャップを100nmに狭めていわゆる超強結合の実現を目指することを目指した。実際に、強いフォノン吸収（TOフォノン）をもつペロブスカイト半導体MAPbI3試料上にキャビティ強結合するリング型の金属メタマテリアル構造を試作した。結合強度を調べるために、ペロブスカイト膜でコーティングしたSRRの透過スペクトルを検出するTHz分光法の構築を行った。これにより、SRRの吸収ピークの周波数がフォノン周波数と等しいときラビ分裂を観測した。これらの研究の一部をPhysical Review Research誌で公表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
半導体におけるキャリアとフォノンとの相互作用は、光励起キャリアの散乱過程や緩和ダイナミクスを支配しており、光電デバイス材料としての特性を決める重要な過程である。近年、太陽電池などへの応用が期待されるハライドペロブスカイト半導体はその典型的な例である。これまでに、作製したテラヘルツSRR上にペロブスカイト半導体を塗布することにより、非常に大きな真空ラビ分裂を観測することに成功した。今後は、ラビ分裂を観測しギャップ依存性を定量的に評価するとともに、光励起されたキャリアダイナミクスと強結合の関係についても調べる。また、フォノンだけでなく、磁性体中のマグノンとSRRとの結合状態にも着目し研究を進めていく。
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