2014 Fiscal Year Annual Research Report
量子縮退バルク励起子の励起子Lyman分光法による精密観測
| Project/Area Number |
25707024
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
吉岡 孝高 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 講師 (70451804)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
|
| Keywords | 光物性 / 励起子 / 高密度励起現象 / レーザー分光 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
希釈冷凍機において、熱輻射を抑制しながら中赤外光を導入可能とするために、中赤外のバンドパスフィルタを輻射シールドに導入し、さらに中赤外光の導入と発光観測を両立させる光学系を希釈冷凍機の内部に構築した。希釈冷凍機で冷却したバルク亜酸化銅試料中でトラップされ、100mK付近まで冷却されたパラ励起子を用意した。波長可変量子カスケードレーザーの出力を歪誘起トラップ中の1s-2p共鳴波長に設定した上で、適切なパルス幅のパルスに切り出した上で試料に照射した。試料の拡大像を形成し、その結像部でMCT検出器を二次元的に掃引しながら微分透過信号を取得することで、当該低温領域において初めてパラ励起子の吸収イメージを取得することに成功した。
一方、2台のモード同期レーザーを用いてオルソ励起子からパラ励起子への転換プロセスを観測するため、まず1台のフェムト秒モード同期チタンサファイアレーザーの設計および製作を行い、実際に5W励起のもとでパルス幅20fs、出力1W、繰り返し周波数80MHzのレーザーを完成させた。これを踏まえ、同じ設計のモード同期レーザーをもう1台製作した。従来の分光法を超えた精緻な固体分光法を実現するために必要な、キャリアエンベロープ位相の制御のためにf-2f干渉計を構成した。精度の高いオフセット周波数の制御のため、励起光源の強度雑音を慎重に調べ、最も適した励起光源を選択した。音響光学素子を使用して励起光の強度を調整することで、安定な高周波信号の基準に位相同期することに成功した。さらに、従来の固体モード同期レーザーのポインティング安定性の問題を克服し、オフセット周波数の安定化が最低でも1日以上継続できることを実証した。共振器内に装着したピエゾ素子を制御することで、2台のモード同期レーザーの繰り返し周波数を相対的に精度良く同期させたり、相対位相を制御することに成功した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は計画通り、希釈冷凍温度において歪みとラップされた超低温パラ励起子の吸収イメージを取得することに成功した。中赤外光導入による冷凍機内部の温度上昇が見られたことにより、ボース・アインシュタイン凝縮の条件を満たすことが当初の想定より難しくなったものの、実現の一歩手前まで到達している。高安定なフェムト秒モード同期チタンサファイアレーザーの開発は想定以上に進展し、当初予定していた2台の繰り返し周波数の相対安定化を超えて、キャリアエンベロープオフセット周波数の安定化も実現し、これにより計画時よりも精緻な励起子の分光実験が可能となった。また本開発を通じて、固体モード同期レーザーで一般的に問題となっていたキャリアエンベロープオフセット周波数の長期的な安定化の困難を克服した。この当初計画を超えた成果は、光周波数コムを用いた超精密分光学の進展に波及する可能性がある。
|
| Strategy for Future Research Activity |
希釈冷凍機において中赤外光を導入し励起子の吸収イメージを取得することに世界で初めて成功したが、十分に除去できていない室温の熱輻射パワーや、プローブ光として用いる中赤外光の半導体試料における吸収に起因して、励起子の温度が十分に下がっていないことが判明している。そこで、今後はまず中赤外光導入用窓の開口を必要十分な大きさまで制限することで、熱輻射の流入を最小限に抑える。また、プローブ光のパルスエネルギーも必要最小限のものとすることで、励起子温度をより低下させ、ボース・アインシュタイン凝縮体の形成をより容易なものとする予定である。
また、本年度完成した2台のモード同期チタンサファイアレーザーを用いて、低密度極限におけるオルソ励起子からパラ励起子へのスピン転換ダイナミクスの観測を行う。また、当初計画を超えてキャリアエンベロープオフセット周波数を安定に制御できるようになったことを活用し、デュアルコム分光の固体への適用等への発展を図りたい。
|
