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光によって強励起された高密度電子正孔系は、電子と正孔の束縛状態である励起子がBose粒子的に振る舞う事から、巨視的量子効果を示す可能性を持つ系の一つとして古くから注目されている。この系の特徴は、通常の基底状態近傍での超伝導や超流動と異なり、励起レーザ光の強度、振動数、および位相をコントロールする事によって巨視的量子状態の粒子数密度や位相を直接制御できる点にある。本研究の目的は、平均粒子間距離が励起子半径と同程度である高密度電子正孔系における自然放出光スペクトルを理論的に解析することである。
半導体中に励起された電子正孔系は、高密度になるにしたがってCoulomb相互作用に働く遮蔽効果が顕著になるとともにPauliの排他律に起因するstate filling効果が重要な役割を演じるようになってくる。そのため、高密度電子正孔系は、励起子としての性質と電子正孔BCS状態的な性質との中間的な性質を持ち、量子ゆらぎが重要な役割を果たすものと考えられている。本研究ではstate filling効果が自然に取り込まれるBCS的なpairring theoryを出発点として、電子正孔対の重心運動の効果をAndersonの一般化されたRPAと呼ばれる方法を用いて取り込むことにし、遮蔽効果をquasi-static single plasmon pole近似を用いて考慮した。
研究の結果、自然放出スペクトルでは
1. 低密度状態において、励起子間相互作用によって他の励起子の解離を伴う励起子発光に対応するP発光帯が多体論的に求められた。
2. 高密度状態において、band renormalization 効果が顕著に見られる
3. 量子ゆらぎによって誘起された光学的Bogolonの対消滅に伴う発光帯が認められる。
事が分かった。
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