半導体レーザーの動的電子相関理論

2012 年度 実績報告書

• 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: 20104008
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小川 哲生 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50211123)
• 研究期間 (年度): 2008-04-01 – 2013-03-31
• キーワード: 半導体レーザー / 動的相関電子系 / ポラリトン凝縮 / 電子正孔液滴 / 半導体マクスウェル・ブロッホ方程式 / 超蛍光 / 光子統計

研究実績の概要

昨年度の成果をさらに拡張し，(1)励起子ポラリトン凝縮と半導体レーザー動作とのクロスオーバー理論の構築， (2)BCS結合レーザー発振状態での発光スペクトルと利得スペクトルの解析，（3)ポラリトン凝縮とレーザー発振における自然放出の役割の解明，(4)結合微小共振器アレイにおける光の量子状態の相転移理論に取り組んだ。(1)擬熱平衡状態での励起子ポラリトン凝縮状態と，非平衡定常系でのレーザー発振状態とのつながりを解明するために，クロスオーバー理論を開発し，「BCS結合レーザー発振状態」という新しい状態が出現することを明らかにした。 (2)その「BCS結合レーザー発振状態」での発光スペクトルと利得スペクトル形状を理論的に導出し，実験的に観測可能な特徴を明らかにした。実験とも比較中である。(3)(1)の理論で無視されている自然放出過程を取り入れた理論的枠組みを構築中である。(4)内部に二準位原子系を含む微小共振器アレイでは，内部電磁場の量子状態が，共振器間結合定数を変化させると相転移を起こす。その熱平衡状態と非平衡定常状態での様相を解明し，1次相転移と2次相転移が生じうることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

24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

24年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Surface polaritons with arbitrary magnetic and dielectric materials: New regimes, effects of negative index, and superconductors (2012)
  • 著者名/発表者名: C. H. Raymond Ooi, K. C. Low, R. Higa, and T. Ogawa
  • 雑誌名: Journal of the Optical Society of America B 巻: 29 ページ: 2691-2697
  • DOI: DOI:10.1364/JOSAB.29.002691
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fano-resonance gain by dephasing electron-hole Cooper pairs in semiconductors (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kamide, M.Yoshita, H. Akiyama, M. Yamaguchi, and T.Ogawa
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 81 ページ: 093706/1-4
  • DOI: DOI:10.1143/JPSJ.81.093706
  • 査読あり
• [雑誌論文] BEC-BCS-laser crossover in Coulomb-correlated electron-hole-photon systems (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Yamaguchi, K. Kamide, T.Ogawa, and Y. Yamamoto
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 14 ページ: 065001/1-33
  • DOI: DOI:10.1088/1367-2630/14/6/065001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of gain-switching characteristics including strong gain saturation effects in low-dimensional semiconductor lasers (2012)
  • 著者名/発表者名: Shaoqiang Chen, Masahiro Yoshita, Takashi Ito, Toshimitsu Mochizuki, Hidefumi Akiyama, Hiroyuki Yokoyama, Kenji Kamide, and Tetsuo Ogawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 51 ページ: 098001/1-2
  • DOI: 10.1143/JJAP.51.098001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dissipation and detection of polaritons in ultrastrong coupling regime (2012)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Bamba and Tetsuo Ogawa
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 86(6) ページ: 063831/6
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.86.063831
  • 査読あり
• [学会発表] 「光と物質の相互作用に応じて外界との接続は決定される」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 馬場 基彰，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会 29aEG-10
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 2013-03-29
• [学会発表] 「結合共振器列における光の熱平衡及び非平衡相転移」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 上出 健仁，弓削 達郎，山口 真，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会 28pEH-5
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 「共振器ポラリトン凝縮と半導体レーザーの接続理論(3) －利得スペクトル－」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山口 真，上出 健仁，新居 良太，小川 哲生，山本 喜久
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会 28pEH-9
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 「共振器ポラリトン凝縮と半導体レーザーの接続理論：自然放出過程の取扱い」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 新居 良太，山口 真，上出 健仁，小川 哲生，山本 喜久
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会 28pEH-10
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 「高強度電場下のグラフェンにおけるキャリアダイナミクスの理論」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 玉谷 知裕，石川 陽，小川 哲生，田中 耕一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会 28pEJ-11
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 「半導体電子正孔系の光学スペクトルに基づく非平衡励起子密度分布の導出」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 石川 陽，秋山 英文，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会 28pPSB-29
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] First-order phase transition in two-mode Jaynes-Cummings Hubbard model for optical switching (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kamide and T. Ogawa
  • 学会等名: The 11th International Workshop on Nonlinear Optics and Excitation Kinetics in Semiconductors (NOEKS11)
  • 発表場所: Stuttgart, Germany
  • 年月日: 20120923-27
• [学会発表] 「半導体中のキャリア間相互作用と平衡・非平衡現象」（招待講演） (2012)
  • 著者名/発表者名: 小川 哲生
  • 学会等名: 応用物理学会量子エレクトロニクス研究会「太陽電池と量子エレクトロニクス－発光デバイス・光物性の研究実績をどう生かすか－」
  • 発表場所: 上智大学軽井沢セミナーハウス
  • 年月日: 2012-12-22
  • 招待講演
• [学会発表] Lasing and polariton condensation in semiconductors （招待講演） (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The 3rd International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano III)
  • 発表場所: Honolulu,Hawai
  • 年月日: 2012-12-10 – 2012-12-12
  • 招待講演
• [学会発表] Cooperative phenomena in electron-hole and electron-hole-photon systems: Phase transition, crossover, and condensation (招待講演） (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The International Symposium on Molecular Materials and Devices (ISSMMD2012)
  • 発表場所: Durham, UK
  • 年月日: 2012-09-24 – 2012-09-29
  • 招待講演
• [学会発表] 「半導体二層膜の中密度域におけるバイエキシトン気体」 (2012)
  • 著者名/発表者名: 前園 涼，小川 哲生，パブロ・ロペス・リオス，リチャード・ニーズ
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会 18aFB-7
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] 「半導体レーザー／ポラリトン凝縮クロスオーバーにおける定常発振状態の線形安定性」 (2012)
  • 著者名/発表者名: 上出 健仁，山口 真，山本 喜久，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会 18pHB-1
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] 「二準位系集団からの協力的発光のスペクトル解析」 (2012)
  • 著者名/発表者名: 新居 良太，上出 健仁，山口 真，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会 18pHB-6
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] 「共振器ポラリトン凝縮と半導体レーザーの接続理論(2) －発光スペクトル－」 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山口 真，上出 健仁，山本 喜久，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会 18pHB-9
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] 「光と物質の超強結合：定常状態での発光はスクイーズするか？」 (2012)
  • 著者名/発表者名: 馬場 基彰，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会 19pAK-11
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] 「2モード結合微小共振器列による光スイッチング」 (2012)
  • 著者名/発表者名: 上出 健仁，小川 哲生
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会 19pAK-12
  • 発表場所: 横浜国立大学
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] 「まとめーレーザーとは何か？」 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小川 哲生
  • 学会等名: シンポジウム 『非平衡電子系の新展開 - 精密制御と機能探索』
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2012-09-11
• [学会発表] Excitons and polaritons in semiconductors: From one-body to many-body problems (招待講演） (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The 6th International Conference on Spontaneous Coherence in Excitonic Systems (ICSCE-6)
  • 発表場所: Stanford University, USA
  • 年月日: 2012-08-27 – 2012-08-31
  • 招待講演
• [学会発表] Bose-Einstein condensation and lasing in Coulomb-correlated electron-hole-photon systems (2012)
  • 著者名/発表者名: Makoto Yamaguchi, Kenji Kamide, Tetsuo Ogawa, and Yoshihisa Yamamoto
  • 学会等名: The 6th International Conference on Spontaneous Coherence in Excitonic Systems (ICSCE-6)
  • 発表場所: Stanford University,USA
  • 年月日: 2012-08-27 – 2012-08-31
• [学会発表] Photoluminescence of exciton-polariton condensates in high excitation regime (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Horikiri, Makoto Yamaguchi, Kenji Kamide, Yutaka Shikano, Tim Byrnes, Kenichiro Kusudo, Natsuko Ishida, Yasuhiro Matsuo, Andreas Loffler, Sven Hofling, Tetsuo Ogawa, Alfred Forchel
  • 学会等名: The 6th International Conference on Spontaneous Coherence in Excitonic Systems (ICSCE-6)
  • 発表場所: Stanford University,USA
  • 年月日: 2012-08-27 – 2012-08-31
• [学会発表] BEC-BCS-Laser crossover in semiconductor electron-hole-photon systems (2012)
  • 著者名/発表者名: Makoto Yamaguchi, Kenji Kamide, Tetsuo Ogawa, and Yoshihisa Yamamoto
  • 学会等名: The International Workshop on Optical Science of Dynamically Correlated Electron Systems
  • 発表場所: Kussharo,Japan
  • 年月日: 2012-08-07 – 2012-08-11
• [学会発表] Light-matter ultrastrong coupling: Can we observe squeezed light emission? (2012)
  • 著者名/発表者名: Motoaki Bamba, Cristiano Ciuti, and Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The International Workshop on Optical Science of Dynamically Correlated Electron Systems
  • 発表場所: Kussharo,Japan
  • 年月日: 2012-08-07 – 2012-08-11
• [学会発表] Condensation and lasing in electron-hole-photon systems (招待講演） (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The International Workshop on Optical Science of Dynamically Correlated Electron Systems
  • 発表場所: Kussharo,Japan
  • 年月日: 2012-08-07 – 2012-08-11
  • 招待講演
• [学会発表] Fano resonance gain in semiconductor lasers (招待講演） (2012)
  • 著者名/発表者名: Kenji Kamide and Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The International Workshop on Optical Science of Dynamically Correlated Electron Systems
  • 発表場所: Kussharo,Japan
  • 年月日: 2012-08-07 – 2012-08-11
  • 招待講演
• [学会発表] Stability of semiconductor lasers, electron-hole-photon condensates, and their hybrids between kinetic and thermal-equilibrium regime (2012)
  • 著者名/発表者名: Kenji Kamide, Makoto Yamaguchi, Yoshihisa Yamamoto, and Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON2012)
  • 発表場所: Groningen,The Netherlands
  • 年月日: 2012-07-01 – 2012-07-06
• [学会発表] Cooperative emission from interacting two-level systems in a cavity (2012)
  • 著者名/発表者名: Ryota Nii, Kenji Kamide, Makoto Yamaguchi, and Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON2012
  • 発表場所: Groningen,The Netherlands
  • 年月日: 2012-07-01 – 2012-07-06
• [学会発表] Crossover among BEC, BCS and laser in Coulomb-correlated electron-hole-photon system (2012)
  • 著者名/発表者名: Makoto Yamaguchi, Kenji Kamide, Tetsuo Ogawa, and Yoshihisa Yamamoto
  • 学会等名: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON2012
  • 発表場所: Groningen,The Netherlands
  • 年月日: 2012-07-01 – 2012-07-06
• [学会発表] Cooperative phenomena in electron‐hole and electron‐hole‐photon systems (招待講演) (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: US-Japan TeraNano Workshop in Nanophotonics and Nanoelectronics
  • 発表場所: Buffalo,USA
  • 年月日: 2012-05-10 – 2012-05-11
  • 招待講演
• [学会発表] Cooperative phenomena in population-inversion states of semiconductors: lasing and polariton condensation (招待講演） (2012)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Ogawa
  • 学会等名: The 1st DYCE Asia Workshop
  • 発表場所: Tokyo Japan
  • 年月日: 2012-04-23 – 2012-04-24
  • 招待講演