半導体量子井戸におけるTHz音響フォノンを用いた電子波動関数の可視化とその応用

• 研究課題/領域番号: 13852006
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 応用光学・量子光工学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: O・B Wright (WRIGHT Oliver B. / O.B. Wright / WRIGHT O.B. / WRIGHT B.Oliver / WRIGHT O・B) 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90281790)
• 研究分担者: 松田 理 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30239024) ; 友田 基信 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30344485)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 123,630千円 (直接経費: 95,100千円、間接経費: 28,530千円); 2005年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2004年度: 45,760千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 10,560千円); 2003年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2002年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円); 2001年度: 55,510千円 (直接経費: 42,700千円、間接経費: 12,810千円)
• キーワード: 半導体量子井戸構造 / 電子波動関数 / ポンププローブ分光 / サブTHz音響フォノン / 電子格子相互作用 / 超高速現象 / 不均一多層膜 / ピコ秒レーザー音響法

研究概要

本研究で得られた成果の概要は以下のとおりである。
1)複数の量子井戸層を持つGaAs/GaAlAs試料を用いてTHz音響フォノンの生成および検出実験を行った。また、この実験結果を定量的に解析するためにフォノン生成および検出についての理論モデルを構築した。
2)我々は実験を重ね、測定の時間分解能およびフォノンパルス形状測定の忠実度を向上させた。i)より短い光パルス(400fs)を用いることにより量子井戸構造を用いて0.5THzまでの音響フォノン生成を確認した。ii)斜め入射プローブ光学系と偏光操作を用いた新しい測定系を構築した。Cr薄膜を用いた実験により、新しい手法の有効性を確認した。
3)我々はピコ秒領域のフォノンパルスを検出するための新しい超高速サニアック干渉計を開発した。この方法はひとつの集光レンズを用いてフォノン生成・検出を行うもので、試料の片面から垂直入射光学系により測定を行うことができる。ポンププローブ光の水平位置を1ミクロンの精度で制御できる。
4)量子井戸の実験解析を補助するためにバルクGaAs中での超高速フォノン励起に関する基礎的な研究を行った。試料中の光励起キャリアの超高速拡散を考慮したフォノンパルス生成モデルを構築した。また結晶の異方性を利用した剪断フォノンパルス生成・検出を実証した。
5)量子井戸試料を用いてフォトルミネッセンスを利用した新しいフォノンパルス検出法の研究を行った。この方法は表面でのフォノン検出よりも時間分解能を高められると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Scanning ultrafast Sagnac interferometry for imaging two-dimensional surface wave propagation (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki
  • 雑誌名: Rev. Sci. Instrum. 77
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Scanning ultrafast Sagnac interferometry for imaging two-dimensional surface wave propagation (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki, T.Muroya, O.Matsuda, Y.Sugawara, D.H.Hurley, O.B.Wright
  • 雑誌名: Rev.Sci.Instrum. 77
  • NAID: 120000954019
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Terahertz ultrasonic generation and detection in GaAs/AIGaAs quantum wells (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 44 ページ: 4477-4479
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Direct measurements of ultrafast surface displacement in laser picosecond acoustics (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: J. Phys. IV, France 125 ページ: 361-363
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Acoustic phonon generation and detection in GaAs/A10.3Ga0.7As quantum wells with picosecond laser pulses (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 71
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ultrafast spectroscopy using ultrashort acoustic pulses generated and detected by picosecond light pulses (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Kogaku (Jpn. J. Optics) 34 ページ: 69-74
  • NAID: 10014359588
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Terahertz ultrasonic generation and detection in GaAs/AlGaAs quantum wells (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki, O.Matsuda, T.Fukui, J.J.Baumberg, O.B.Wright
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 44 ページ: 4477-4479
  • NAID: 10016584509
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Direct measurements of ultrafast surface displacement in laser picosecond acoustics (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, K.Aoki, T.Tachizaki, O.B.Wright
  • 雑誌名: J.Phys.IV, France 125 ページ: 361-363
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Acoustic phonon generation and detection in GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum wells with picosecond laser pulses (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, T.Tachizaki, T.Fukui, J.J.Baumberg, O.B.Wright
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 71
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ultrafast spectroscopy using ultrashort acoustic pulses generated and detected by picosecond light pulses (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, O.B.Wright
  • 雑誌名: Kogaku (Jpn.J.Optics) 34, No.2 ページ: 69-74
  • NAID: 10014359588
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Acoustic phonon generation and detection in GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum wells with picosecond laser pulses (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review B 71 ページ: 115330-115330
• [雑誌論文] Direct measurement of ultrafast surface displacement in laser picosecond acoustics (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Journal de Physique IV France 125 ページ: 361-361
• [雑誌論文] Terahertz ultrasonic generation and detection in GaAs/AlGaAs quantum wells (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 44 ページ: 4477-4477
• [雑誌論文] Acoustic phonon generation and detection in GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum wells with picosecond laser pulses (2005)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review B 71(印刷中)
• [雑誌論文] Coherent shear phonon generation and detection with ultrashort optical pulses (2004)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 93
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Acoustic phonon pulse generation and detection in GaAs/A10.3Ga0.7As quantum wells (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki
  • 雑誌名: phys. stat. sol. (c) 1 ページ: 2749-2752
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Laser picosecond acoustics in a two-layer structure with oblique probe light incidence (2004)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Ultrasonics 42 ページ: 653-656
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Coherent shear phonon generation and detection with ultrashort optical pulses (2004)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, O.B.Wright, D.H.Hurley, V.E.Gusev, K.Shimizu
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 93
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Acoustic phonon pulse generation and detection in GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum wells (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki, O.Matsuda, T.Fukui, J.J.Baumberg, O.B.Wright
  • 雑誌名: phys.stat.sol.(c) 1 ページ: 2749-2752
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Laser picosecond acoustics in a two-layer structure with oblique probe light incidence (2004)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, O.B.Wright
  • 雑誌名: Ultrasonics 42 ページ: 653-656
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Acoustic phonon pulse generation and detection in GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum wells (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Tachizaki
  • 雑誌名: physica status solidi (c) 1 ページ: 2749-2752
• [雑誌論文] Picosecond acoustics phonon pulse generation in nickel and chromium (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Saito
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 67
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Real-time imaging of surface acoustic waves in thin films and microstructures on opaque substrates (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara
  • 雑誌名: Rev. Sci. Inst. 74 ページ: 519-522
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Laser picosecond acoustics with oblique probe light incidence (2003)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Rev. Sci. Inst. 74 ページ: 895-897
  • NAID: 110009719343
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Picosecond acoustics phonon pulse generation in nickel and chromium (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Saito, O.Matsuda, O.B.Wright
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 67
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Real-time imaging of surface acoustic waves in thin films and microstructures on opaque substrates (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara, O.B.Wright, O.Matsuda
  • 雑誌名: Rev.Sci.Inst. 74 ページ: 519-522
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Laser picosecond acoustics with oblique probe light incidence (2003)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, O.B.Wright
  • 雑誌名: Rev.Sci.Inst. 74 ページ: 895-897
  • NAID: 110009719343
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Watching ritpples on crystals with a Sagnac interferometer (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara
  • 雑誌名: Opt. Photon. News 13 ページ: 20-20
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reflection ond transmission of light in multilayers perturbed by picosecond strain pulse propagation (2002)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: J. Opt. Soc. Am. B 19 ページ: 3028-3041
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Watching ripples on crystals (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 88
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Laser picosecond acoustics in multilayer structures (2002)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Ultrasonics 40 ページ: 753-756
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Spatiotemporal mapping of surface acoustic waves in isotropic and anisotropic materials (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara
  • 雑誌名: Ultrasonics 40 ページ: 55-59
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Wavelength selective photoexcitation of picosecond acoustic-phonon pulses in a triple GaAs/A10.3Ga0.7As quantum well structure (2002)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda
  • 雑誌名: Physica B 316-317C ページ: 205-208
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ultrafast acoustic phonon pulse generation in chromium (2002)
  • 著者名/発表者名: T.Saito
  • 雑誌名: Physica B (2002) 316-317C ページ: 304-307
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Photothermal probing of inhomogeneously modulated transparent thin films (2002)
  • 著者名/発表者名: O.B.Wright
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 91 ページ: 5002-5009
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Watching ripples on crystals with a Sagnac interferometer (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara, O.B.Wright, O.Matsuda
  • 雑誌名: Opt.Photon.News 13 ページ: 20-20
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Reflection and transmission of light in multilayers perturbed by picosecond strain pulse propagation (2002)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, O.B.Wright
  • 雑誌名: J.Opt.Soc.Am.B 19 ページ: 3028-3041
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Watching ripples on crystals (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara, O.B.Wright, O.Matsuda, M.Takigahira, Y.Tanaka, S.Tamura, V.E.Gusev
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 88
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Laser picosecond acoustics in multilayer structures (2002)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, O.B.Wright
  • 雑誌名: Ultrasonics 40 ページ: 753-756
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Spatiotemporal mapping of surface acoustic waves in isotropic and anisotropic materials (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Sugawara, O.B.Wright, O.Matsuda, V.E.Gusev
  • 雑誌名: Ultrasonics 40 ページ: 55-59
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Wavelength selective photoexcitation of picosecond acoustic-phonon pulses in a triple GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum well structure (2002)
  • 著者名/発表者名: O.Matsuda, I.Ishii, T.Fukui, J.J.Baumberg, O.B.Wright
  • 雑誌名: Physica B 316-317C ページ: 205-208
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ultrafast acoustic phonon pulse generation in chromium (2002)
  • 著者名/発表者名: T.Saito, O.Matsuda, O.B.Wright
  • 雑誌名: Physica B 316-317C ページ: 304-307
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Photothermal probing of inhomogeneously modulated transparent thin films (2002)
  • 著者名/発表者名: O.B.Wright, R.Li Voti, O.Matsuda, M.C.Larciprete, C.Sibilia, M.Bertolotti
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 91 ページ: 5002-5009
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ultrafast carrier diffusion in gallium arsenide probed with picosecond acoustic pulses (2001)
  • 著者名/発表者名: O.B.Wright
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 64
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ultrafast carrier diffusion in gallium arsenide probed with picosecond acoustic pulses (2001)
  • 著者名/発表者名: O.B.Wright, B.Perrin, O.Matsuda, V.E.Gusev
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 64
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.Matsuda: "Laser picosecond acoustics in a two-layer structure with oblique probe light incidence"Ultrasonics. (in press). (2004)
• [文献書誌] H.Hirori: "Electron dynamics in chromium probed with 2Ofs optical pulses"Physical Review B. 68. 113102-1-113102-4 (2003)
• [文献書誌] T.Saito: "Picosecond acoustic phonon pulse generation in nickel and chromium"Physical Review B. 67. 205421-1-205421-7 (2003)
• [文献書誌] 松田 理: "ピコ秒フォノンパルスで見るGaAsエアギャップ構造中の超高速キャリアダイナミクスの観測"日本物理学会講演概要集第4分冊. 第58巻第1号. 679-679 (2003)
• [文献書誌] 笹嶋 崇司: "ピコ秒超音波によるGaAs中の光励起キャリア拡散ダイナミクスの観測"第39回応用物理学会北海道支部学術講演会講演予稿集. 30-30 (2004)
• [文献書誌] O.Matsuda: "Laser picosecond acoustics in multiplayer structures"Ultrasonics. 40. 753-756 (2002)
• [文献書誌] O.Matsuda: "Wavelength selective photoexcitation of picosecond acoustic phonon pulses in a GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum well structure"Physica B. 316-317C. 205-208 (2002)
• [文献書誌] O.Matsuda: "Reflection and transmission of light in multiplayer perturbed by picosecond strain pulse progagation"Journal of the Optical Society of America B. 19. 3028-3041 (2002)
• [文献書誌] O.Matsuda: "Laser picosecond acoustics with oblique probe light incidence"Review of Scientific Instruments. 74. 895-897 (2003)
• [文献書誌] O. B. Wright: "Ultrafast carrier diffusion in gallium arsenide probed with picosecond acoustic pulses"Physical Review B. 64. 081202(R)1-4 (2001)