2014 Fiscal Year Annual Research Report
テラヘルツ金属メタマテリアルが織り成す超高速電場誘起現象とデバイス応用
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26286061
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
廣理 英基 京都大学, 物質-細胞統合システム拠, 特定拠点准教授 (00512469)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
望月 敏光 独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (30549572)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 光物性物理学 / 非線形分光 / テラヘルツ分光 / 高強度THz発生 / メタマテリアル / 磁性体 / 低次元半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
物質内部で電場強度を最大限に増強し非線形光学効果を顕在化するために、フォトリソグラフィー法を用いて金属メタマテリアル構造を作成した試料に対して実験を行った。１つは、電場増強を可能にする金属メタマテリアル構造をGaAs量子井戸上に作成した。特に、欠陥や不純物順位が極めてく少ない高品質なGaAs量子井戸構造に対して実験を行い、THz照射によって生じる発光を観測した。一連の結果は、従来判別が困難であった衝突イオン化過程とゼナートンネリング効果を初めて定量的に区別できる可能性を示唆しており、高速半導体開発に重要な知見をもたらすことが期待される。もう１つは、THz電場入力に対して物質内部で磁場の増強を実現するスプリットリング共振器型の金属メタマテリアル構造を、高速スピントロにクス材料への応用が期待される反強磁性体HoFeO3上に作成し、THz磁場の共鳴的な増幅効果の実証を行った。スピン共鳴が共振器の共鳴周波数に一致した温度において、30倍程度に増幅された磁場によって誘起されたスピン歳差運動を観測することができた。さらに、最適な磁化変化の観測方法を確立することによって、スピン共鳴周波数のレッドシフトの観測に成功した。可視光やTHz光によってスピンの歳差運動を誘起する研究は数多くなされてきたが、スピン運動の非線形ダイナミクスが観測されることはなかった。今回の非線形応答の観測は、大振幅のスピン運動を介した超高速な磁化反転を実現する上で極めて重要な進展であると言える。
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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
電場増強を可能にする金属メタマテリアル構造をGaAs量子井戸上に作成した。欠陥や不純物順位が極めてく少ない高品質なGaAs量子井戸構造に対して実験を行い、THz照射によって生じる発光を観測し、従来判別が困難であった衝突イオン化過程とゼナートンネリング効果を初めて定量的に区別できる可能性を示唆する結果を得ることができた。また、反強磁性体試料において、金属構造近傍に局在して３０倍程度に増大した磁場によりスピン歳差運動が励起されることを、顕微ファラデー分光法により実証した。さらに、カー回転測定を行うことによりスピン運動の非線形性を世界ではじめて観測に成功し当初の計画以上の進展がみられたといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに実現した顕微分光システムを半導体GaAsに対する実験へと発展させ、THz照射によるキャリア生成メカニズムを解明を目指す。
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[Journal Article] Time-resolved observation of excitonic dynamics under coherent terahertz excitation in GaAs quantum wells2015
Author(s)
K. Uchida, H. Hirori, T. Aoki, C. Wolpert, K. Tanaka, T. Mochizuki, C. Kim, M. Yoshita, H. Akiyama, L. N. Pfeiffer, and K. W. West
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Journal Title
Proceedings of SPIE
Volume: 9361
Pages: 93611L
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Nonlinear Excitonic Interaction of GaAs Quantum Wells with Novel Narrowband Terahertz Waves in Nonperturbative Regime2015
Author(s)
K. Uchida, H. Hirori, T. Aoki, C. Wolpert, K. Tanaka, T. Mochizuki, C. Kim, M. Yoshita, H. Akiyama, L. N. Pfeiffer, K. W. West
Organizer
Optical Terahertz Science & Technology Conference (OTST2015)
Place of Presentation
Catamaran Resort Hotel(米国、サンディエゴ市)
Year and Date
2015-03-08 – 2015-03-13
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[Presentation] Time-resolved observation of excitonic dynamics under coherent terahertz excitation in GaAs quantum wells2015
Author(s)
K. Uchida, H. Hirori, T. Aoki, C. Worpert, K. Tanaka, T. Mochizuki, C. Kim, M. Yoshita, H. Akiyama, L. N. Pferffer, and K.W. West
Organizer
Photonics West 2015
Place of Presentation
The Moscone Center (米国、サンフランシスコ市)
Year and Date
2015-02-07 – 2015-02-12
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