電子正孔・励起子量子凝縮相の光操作と制御

2012 年度 研究成果報告書

• 研究領域: 半導体における動的相関電子系の光科学
• 研究課題/領域番号: 20104002
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 五神 真 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (70161809)
• 研究分担者: 中 暢子 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10292830)
• 研究期間 (年度): 2008 – 2012
• キーワード: 光物性 / 半導体物性 / 物性理論 / 材料化学 / 量子エレクトロニクス

研究概要

光励起半導体において量子縮退した電子正孔系の物質相解明とその光による制御法の開拓を行った。主な成果として、直接遷移型バルク半導体における3次元トラップ中の励起子について、ボース・アインシュタイン凝縮転移の観測に成功し、また凝縮相の安定化のため希釈冷凍温度まで冷却された量子縮退励起子系を生成した。また、ワイドギャップ間接遷移型半導体、ダイヤモンド、において低温電子正孔系の励起法の開発を進め、低温領域では、液滴形成が抑制され、多励起子束縛状態が形成されることを発見した。さらに、超高速時間領域での光子統計性を計測する手法としてストリークカメラを用いた高次光子相関測定法を開発した。これを用いて垂直共振器面発光レーザーについて閾値近傍での2次相関関数に緩和振動現象に伴う振動が生じることを見出した。このほか、光励起物質相の制御手法として波形制御されたパルス光による物質相の制御について検討を行った。特に、3回対称性を有する結晶における、ラマン型非線形光学過程での光と物質系の角運動量保存則に着目した。光パルスをベクトル波として偏光状態の時間特性を制御することで、マグノンのスピン状態やテラヘルツ電気分極ベクトルを自在に制御できることを示した。

研究成果

• [雑誌論文] Selection rules for angular momentum transfer via impulsive stimulated Raman scattering (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Higuchi, H. Tamaru, and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Phys. Rev. A 巻: 87 (1) ページ: 013808/1-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast periodic modulations in the photon correlation of single-mode vertical-cavity surface-emitting lasers (2012)
  • 著者名/発表者名: N. Takemura, J. Omachi and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Phys. Rev. A 巻: 85 (5) ページ: 053811/1-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Relaxation explsion of a quantum degenerate exciton gas in Cu_2O (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 14 ページ: 055024 -1-14
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-resolved cyclotron resonance in cuprous oxide (2012)
  • 著者名/発表者名: N. Naka, I. Akimoto, M. Shirai, and K. Kanno
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 85 (3) ページ: 035209-1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transition to a Bose-Einstein condensate and relaxation explosion of excitons at sub-Kelvin temperatures (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, E. Chae, and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Nat. Commun 巻: 2 ページ: 328
  • 査読あり
• [雑誌論文] The vectorial control of magnetization by light (2011)
  • 著者名/発表者名: N. Kanda, T. Higuchi, H. Shimizu, K. Konishi, K. Yoshioka, and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Nat. Commun 巻: 2 ページ: 362
  • 査読あり
• [雑誌論文] Circularly Polarized Light Emission from Semiconductor Planar Chiral Nanostructures (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Konishi, M. Nomura, N. Kumagai, S. Iwamoto, Y. Arakawa, and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 106 (5) ページ: 057402/1-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Selection rules for light-induced magnetization of a crystal with threefold symmetry": The case of antiferromagnetic NiO (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Higuchi, N. Kanda, H. Tamaru, and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 106 (4) ページ: 047401-1-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum inelastic collisions between paraexcitons in Cu_2O (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, T. Ideguchi, Andre Mysyrowicz, and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 82 ページ: 041201(R)-1-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Density-dependent exciton kinetics in synthetic diamond crystals (2009)
  • 著者名/発表者名: N. Naka, J. Omachi, H. Sumiya, K. Tamasaku, T. Ishikawa, and M. Kuwata-Gonokami
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 80 (3) ページ: 035201-1-7
  • 査読あり
• [学会発表] Search for exciton BEC in a bulk crystal (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: ICSCE (The 6th International Conference on Spontaneous Coherence in Ezcitonic Systems)
  • 発表場所: Stanford, California, U.S.A,
  • 年月日: 2012-08-30
• [学会発表] Bose-Einstein condensation transition of paraexcitons in a potential trap at sub-Kelvin temperatures (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: EXCON 2012 (The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials)
  • 発表場所: Groningen, Netherlands
  • 年月日: 2012-07-02
• [学会発表] Polarization control with artificial chiral structures (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: 8th EOS Topical Meeting on Diffractive Optics 2012(DO2012)
  • 発表場所: Delft, Netherlands
  • 年月日: 2012-03-01
• [学会発表] Relaxation explosion of a Bose-Einstein condensate of excitons in Cu_2O (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: Fundamental Optical Properties of Semiconductor -2011
  • 発表場所: North Carolina, U.S.A
  • 年月日: 2011-08-04
• [学会発表] Experimental aspects of exciton-exciton interactions and of exciton BEC" School and Congerence "Cold Atoms (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: Semiconductor Polaritons and Nanotechnology"
  • 発表場所: albatros Hotel, Chersonissos, Crete, Greece
  • 年月日: 2011-05-03
• [学会発表] Stability of an ensemble of excitons in a quantum degenerate regime in a bulk semiconductor of Cu_2O, - Search for Bose-Einstein Condensation of excitons (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: The 41th Winter Colloquium on the PHYSICS of QUANTUM ELECTRONICS
  • 発表場所: Snowbird, U.S.A
  • 年月日: 2011-01-03
• [学会発表] Advanced photons for condensed matter (2010)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: The 4th Yamada Symposium Advanced Photon and Science Evolution
  • 発表場所: Osaka, Japan
  • 年月日: 2010-06-14
• [学会発表] Strong optical activity in planner chiral grating Structures (2010)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: Optical Society of Korea 20th Anniversary and Winter Annual Meeting 2010
  • 発表場所: KAIST, KOREA
  • 年月日: 2010-01-21
• [学会発表] Coherent control of resonant two-photon excitation of cold excitons by phase modulated pulses, CLEO/Pacific Rim 2009 (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 学会等名: The 8th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics
  • 発表場所: Shanghai, Chinese
  • 年月日: 2009-09-01
• [図書] 半導体プロセスを用いた小型円偏光発光素子の開発, レーザー加工学会誌 Vol.19, No.1 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小西邦昭, 五神真
  • 総ページ数: 68-70
  • 出版者: 一般社団法人レーザー加工学会
• [図書] 半導体励起子のボース・アインシュタイン凝縮, 日本物理学会誌 第67巻, 第01号 (2012)
  • 著者名/発表者名: 吉岡孝高, 五神真
  • 総ページ数: 44
  • 出版者: 一般社団法人日本物理学会
• [図書] Trailing Quantum Phases in Solids Using Light-Matter Interaction, NOVA book "New Developments in Photon and Materials Research (2012)
  • 著者名/発表者名: N. Naka
  • 総ページ数: 19
• [図書] Terahertz Spectroscopy and Imaging (Springer Series in Optical Sciences) (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Peiponen, A. Zeitler, M. Kuwata-Gonokami (Eds.)
  • 出版者: Springer
• [図書] 光によるコヒーレントな磁化制御における結晶対称性の役割, 固体物理 Vol.46, No.11 (2011)
  • 著者名/発表者名: 樋口卓也, 五神真
  • 総ページ数: 711-723
  • 出版者: 株式会社アグネ技術センター
• [図書] バルク半導体における励起子BEC相の探索, 固体物理 Vol.46, No.11 (2011)
  • 著者名/発表者名: 吉岡孝高, 五神真
  • 総ページ数: 593-604
  • 出版者: 株式会社アグネ技術センター
• [図書] High-Density Excitons in Semiconductors. In: Bhattacharya P, Fornari R, Kamimura H, (eds.), Comprehensive Semiconductor Science and Technology, volume 2 (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 総ページ数: 213-255
  • 出版者: Amsterdam: Elsevier
• [図書] "Optical Manipulation of Excitonic Particles into a quantum degenerate regime", Quantum Coherence in Solid State Systems, International School of Physics "Enrico Fermi", Course CLXXI, Vol.171 (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Kuwata-Gonokami
  • 総ページ数: 343-373
  • 出版者: IOS press, Amsterdam
• [図書] ナノ格子による巨大旋光性, 応用物理78 (2009)
  • 著者名/発表者名: 小西邦昭, 五神真
  • 総ページ数: 531-535
  • 出版者: 公益社団法人応用物理学会
• [備考]
  • URL: http://www.dyce-opt.org
• [備考]
  • URL: http://www.gono.t.u-tokyo.ac.jp
• [備考] 1. M. Kuwata-Gonokami: 2013 Fellow of Optical Society of America, Citation: For contributions to laser spectroscopy and photon science including nonlinear spectroscopy of semiconductors, high density phenomena, cold atoms and micro cavity structures., OSA
• [備考] 2. M. Kuwata-Gonokami: 2012 Fellow of American Physical Society, Division of Laser Science, Citation: For contributions to laser spectroscopy and photon science including nonlinear spectroscopy of semiconductors, high density phenomena, cold atoms and micro cavity structures., APS
• [備考] 3. 今井亮, 神田夏輝,鄭渚,小西邦昭,五神 真:第32回(2012年春季)応用物理学会講演奨励賞「非線形光学結晶を用いたテラヘルツベクトルビームの発生」
• [備考] 4. T. Higuchi received Young Investigator Award in Gordon Research Conference (Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems 2012)
• [備考] 5. 吉岡孝高:平成23年度日本物理学会若手奨励賞受賞(領域5)(2011年11月)
• [備考] 6. 五神真:第14回 松尾学術賞「レーザー分光法による固体における光量子物理学の研究」2010年10月28日