2014 Fiscal Year Annual Research Report
超低温極限環境電子状態分光による電子正孔系の量子秩序形成の研究
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26247049
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
五神 真 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70161809)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光物性 / 励起子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
A.光励起半導体励起子・電子正孔系における量子凝縮相の解明と制御
(A-1)準熱平衡状態励起子系の安定化された自発的BECの観測:希釈冷凍温度において歪トラップした亜酸化銅1sパラ励起子の空間分解発光スペクトルの温度依存性を系統的に測定し、直接発光過程の運動量保存則に起因して量子縮退状態が発光に寄与しないことを実験的に検証した。そこで、この問題点を解決する励起子Lyman分光法の希釈冷凍機での実施を試みた。室温の熱輻射が冷凍機内へ流入し系を加熱しないよう中赤外光導入用の窓の帯域や開口を設計した。その結果、実際に希釈冷凍機温度での励起子Lyman分光法を実現した。また同温度領域で発光の時間分解を行い、パラ励起子がトラップに蓄積される様子を精細に観測した。
(A-2) 非平衡励起子系の量子凝縮:亜酸化銅における1sオルソ励起子の低温高密度状態の、光位相を制御したフェムト秒2光子励起による直接生成法について、加熱をもたらす3光子吸収を抑える適切な位相変調の検討を進めた。また、ダイヤモンドにおけるフェルミ縮退した電子正孔液滴相に対して中赤外域の過渡吸収スペクトルについて、電子正孔散乱の観点からスペクトル形状の定量的な考察を行った。
B. レーザー角度分解光電子分光による光励起状態の新検出法開拓
飛行時間型角度分解光電子分光装置の分解能向上のため、磁気シールド内の微弱な磁場発生源を注意深く除去し、また電子レンズの最適化を行った。試料として蒸着Auを6 Kに冷却し、ピコ秒モード同期Ti:Sレーザーの四倍波を入射した際の光電子を観測して装置の分解能を評価した。その結果、エネルギー分解能は3.6meV、角度分解能は±15度の範囲で0.33度となり、同等の装置での世界最高性能を実現した。また、トポロジカル絶縁体Bi2Se3を試料とし、室温かつ定常状態においてこの系特有の表面状態を明瞭に観測した。
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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
項目(A-1)については、平成26年度の実施予定であった、パラ励起子の微弱な直接発光のデータの蓄積や時間分解発光測定、希釈冷凍温度における励起子Lyman分光法の実現はいずれも実現した。これに加えて、励起子Lyman分光と発光観測を合わせた系統的解析に現在取り組み、発光強度の特異的な励起強度依存性の起源を考察できるところまで進んでいる。また発光ダイナミクスの測定で得られたデータは、凝縮体の安定的な生成を論じる上で重要な知見となっている。
項目(A-2)については概ね順調であり、これに加えてダイヤモンドにおける電子正孔液滴の誘電応答における電子正孔間の散乱の寄与が非常に重要であることを見出しており、当初計画以上の進捗が得られている。
項目Bについては、当該角度分解光電子分光装置において世界最高性能となる分解能を実現し、当初計画で想定された重要な進捗である。また、Bi2Se3のバンド分散測定では、ARTOFの利点である光電子の2次元運動量の同時取得を行なった。この中で、試料形状に起因した異方的な電場の存在を示唆する結果が得られ、普及している半球型光電子分析器では困難だった面内の異方性の議論を進めることが波及的に可能となった。
以上の点から、当初計画以上に進捗しているものと判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
項目(A-1)については、希釈冷凍温度において引き続き誘導吸収分光法を行い、自発的励起子BECの証拠を探索する。光アクセス用の窓の帯域、大きさなどの最適化を続け、吸収イメージングを完成させる。トラップ中のパラ励起子の空間分布を抽出し、BECの証拠となる信号を探索する。冷却原子気体との比較や理論解析を行うために、誘導吸収分光と発光観測を合わせた系統的解析から弾性・非弾性散乱断面積などの定量的評価を行う。また微弱な直接発光の時間分解測定を継続し、数値計算との比較から、サブケルビン領域のパラ励起子の拡散係数や移動度を抽出する。さらに凝縮体の集団励起モードを検出するため、摂動を与える操作法の検討も開始する。
項目(A-2)については、引き続き亜酸化銅1sオルソ励起子の低温状態をより高密度に直接生成するための最適化を進めるとともに、ダイヤモンドにおける電子正孔液滴における量子縮退状態特有の巨視的量子現象の実現可能性について検討を行う。
項目Bについては、トポロジカル絶縁体Bi2Se3試料に対して室温及び低温においてポンププローブ測定を行なうことで、励起状態のバンド分散測定から光励起状態の精密な観測を進める。また、亜酸化銅を例とする典型的な半導体を用いてまず室温下でバンド分散の測定を行なう。同様の測定を低温下でも行ない、伝導率の低下を考慮し励起条件の最適化を行なう。その上で励起光を導入し、励起子の電子状態を高い精度で議論することを目指す。並行して、高次高調波発生による真空紫外線を光源とする光電子分光測定の準備を進める。
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