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半導体電子正孔BCS状態の巨大な光応答の探求

研究課題

研究課題/領域番号 18J13232
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 物性Ⅰ(実験)
研究機関東京大学

研究代表者

室谷 悠太  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
1,500千円 (直接経費: 1,500千円)
2019年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード半導体 / 励起子 / ドレスト状態 / 電子正孔BCS状態 / 量子凝縮 / ポンプ・プローブ分光 / 四光波混合 / 非線形光学応答
研究実績の概要

半導体に強い光を照射すると多数の電子と正孔が励起され、電流が流れるようになる。このような高密度な電子正孔プラズマ中でも電子・正孔間にはクーロン引力が働くため、低温では量子力学的に束縛された電子正孔クーパー対を作って絶縁化すると考えられている。この状態を電子正孔BCS状態と呼ぶが、試料を光励起したのち十分に冷却するのは難しいことから長らく実証されていなかった。しかし昨年度の本研究により、冷却した試料に特定波長の強いレーザー光を照射することで、一時的に電子正孔BCS状態を作り出せることが示された。BCS状態は半導体だけでなく原子気体や天体物理学においても現れる普遍的な現象と考えられており、その性質の解明は量子力学や統計力学といった基礎的な物理法則の理解を深める手がかりになることが期待される。
そこで本年度は、半導体中に光誘起された電子正孔BCS状態の性質をより詳しく調べるために、バルクGaAsに対して近赤外の四光波混合測定を行った。四光波混合は二本の光波が物質中で新しい光波を生み出す現象であり、生成された光を観測することで物質中に起きた現象を調べることができる。本研究では単色性の高い励起光とパルス幅の短いプローブ光を組み合わせ、超高速の時間発展を幅広い周波数帯域で観測できる測定系の構築に成功した。この系を用いた実験の結果、試料を強く光励起すると励起光の周波数から分裂していく信号が観測された。テラヘルツ分光法を用いた励起密度の評価や過去の研究との比較から、この信号は電子正孔BCS状態の形成に伴うものであることが示される。理論的にも、上記の振る舞いは励起子と呼ばれる電子正孔対が電子正孔クーパー対に変化していく様子と捉えられることが確かめられた。本研究は長らく理論模型に留まっていた電子正孔BCS状態を新しいアプローチで実証し、さらにその性質を踏み込んで調べた画期的なものであると言える。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] プリンストン大学(米国)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] プリンストン大学(米国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Light-Driven Electron-Hole Bardeen-Cooper-Schrieffer-Like State in Bulk GaAs2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Murotani, C. Kim, H. Akiyama, L. Pfeiffer, K. West and R. Shimano
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett

      巻: 123 号: 19 ページ: 197401-197401

    • DOI

      10.1103/physrevlett.123.197401

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] バルクGaAs中の光誘起電子正孔BCS状態における四光波混合2020

    • 著者名/発表者名
      室谷悠太、金昌秀、秋山英文、島野亮
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] High-density electron-hole BCS-like dressed state in bulk GaAs2019

    • 著者名/発表者名
      Yuta Murotani, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West, and Ryo Shimano
    • 学会等名
      Fundamental Optical Processes in Semiconductors 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] バルクGaAsにおける励起子の近赤外光ドレスト状態の観測2018

    • 著者名/発表者名
      室谷悠太、金昌秀、秋山英文、島野亮
    • 学会等名
      日本物理学会 2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [備考] レーザー光で半導体中に超伝導に類似した電子正孔ペア状態をついに実現

    • URL

      http://www.crc.u-tokyo.ac.jp/press/1911.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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