半導体二次元界面に於ける励起子集団のコヒーレント伝播と多体効果

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11215208
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 唐沢 力 大阪市立大学, 理学部, 教授 (90106336)
• 研究分担者: 飯田 武 大阪市立大学, 理学部, 教授 (80047191) ; 中山 正昭 大阪市立大学, 工学部, 教授 (30172480) ; 赤井 一郎 大阪市立大学, 理学部, 助教授 (20212392) ; 溝口 幸司 大阪市立大学, 工学部, 助教授 (10202342)
• キーワード: 高密度励起子 / GaSe / BiI_3積層欠陥励起子 / GaAs / AlAs超格子 / タイプ-II超格子・量子井戸 / 励起子のポーズ凝縮 / 励起子の超流動 / 光誘起相転移

研究概要

@ BiI_3結晶中の積層不整二次元界面に励起される擬二次元励起子(SFE励起子)を、モードロックNd:YAGレーザー励起のピコ秒色素レーザーを用いて発光を励起し,高密度下で現れる異常な空間的拡がりを電信方程式で解析した。さらに2光束を空間分離して結晶表面で高密度励起子集団を励起し,これらのコヒーレント伝播により誘起された非線形分極による縮退四光波混合(DFWM)信号の発生と,その波数ベクトル選択性を見出した。これら励起子集団のコヒーレント伝播に起因する振舞いを,励起子のボーズ凝縮として理解した。GaSe結晶でも同様のDFWM信号を調べ,BiI_3SFE励起子系とは異なる空間伝播の密度依存性を見出した。
@ GaAs/AlAs超格子を試料として,励起子-励起子分子系と電子正孔プラズマ(EHP)の発光特性に関する研究を行った。成果として,1)GaAs(15.0nm)/AlA(15.0nm)タイプ-I超格子において,励起子分子からEHP状態への転移過程を観測し,高密度キャリアによるバンドギャップ収縮の挙動を明らかにした。2)GaAs(3.5nm)/AlA(3.5nm)タイプ-II超格子試料における発光減衰過程での時間分解スペ外ルの詳細な測定をい,励起子分子密度がしきい値特性を有して顕著に増大すること,およびそのしきい値特性が,励起強度と温度に大きく依存することを確認した。以上の結果を統計力学的に解析し,励起子-励起子分子系においてBose-Einstein統計性が発現しているという結論を得た。
@ 理論的には、半導体二次元界面における高密度励起子集団の共通のコヒーレント伝播・多体効果にも発展的につなげられる,タイプII量子井戸中の擬二次元励起子系の凝縮状態における秩序状態,素励起およびdefect mediated Kosteritz-Thoules転移を調べ,有限温度における励起子のボーズ凝縮相・超流動の可能性を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Karasawa,H.Mino,M.Yamamoto T.Karasawa: "Spatial Evolution of Correlated Exciton Polaritons and Their Detection by use of Four-Wave-Mixing Signals"J.Lumin.. 87-89. 174-178 (2000)
• [文献書誌] H.Mino,M.Yamamoto,T,Kawai,I.Akai,T.Karasawa: "Anomalous Behavior of the High-Density Excitons and their Nonhnear Optical Response in a Quasi Two-Dimensional Space in a Layered Crystal BiI_3"J.Lumin.. 87-89. 278-280 (2000)
• [文献書誌] M.Yamamoto,H.Mino,I.Akai,T.Karasawa,V.F.Aguekian: "Space-Resolved Luminescence and Four-Wave-Mixing Spectra of Heavily Photo-Created Exciton States in a Layered Crystal GaSe"J.Lumin.. 87-89. 275-277 (2000)
• [文献書誌] A.Tanji,I.Akai,K.Kojima,T.Karasawa: "Exciton Transitions in the Hexagonal CuI Microcrystallites Grown on Polymers"J.Lumin.. 87-89. 516-518 (2000)
• [文献書誌] T.Iida,M.Tsubota,: "Superfluidity of Excitons in Type-II Semiconductor Quantum Well"J.Lumin.. 87-89. 241-243 (2000)
• [文献書誌] A.Saitoh,T.Komatsu,and T.Karasawa: "Exciton-phonon interaction and conversion of excitons from free to self-trapped states in layered metal iodide crystals under hydrostatic"J.Lumin.. 87-89. 633-635 (2000)
• [文献書誌] A.Saitoh,T.Komatsu,and T.Karasawa: "Hydrostatic pressure effects on Raman spectra and the fundamental absorption edge in 2H-PbI_2 crystals"Physical Review. B62. 11398-11404 (2000)
• [文献書誌] H.Nitta,M.Suzuki,and T.Iida: "Adiabatic nature of hole-doped states in strongly coupled electron-phonon systems"Physical Review. B62. 17050-17056 (2000)
• [文献書誌] T.J.Inagaki,T.Iida,and M.Aihara: "Many-body theory of pump-probe spectra for highly excited electron-hole systems"Physical Review. B62. 10852-10860 (2000)
• [文献書誌] Y.Shirasaka,H.Mino,T.Kawai,I.Akai,and T.Karasawa: "Spatial behavior of exciton-polariton masses in a layered crystal BiI_3"Proceedings of Yamada Conference LIII, 2000 International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter. (印刷中). (2000)
• [文献書誌] K.Bando,I.Akai,T.Karasawa,K.Inoue,and H.Nakashima: "High density excitation effects on excitons and electron-hole pairs in Al_xGa_<1-x>As/AlAs quantum wires"Proceedings of Yamada Conference LIII, 2000 International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter. (印刷中). (2000)
• [文献書誌] T.Iida,and M.Tsubota: "Order formation and elementary excitations in type-II quantum-well exciton system"Proceedings of Yamada Conference LIII, 2000 International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter. (印刷中). (2000)
• [文献書誌] M.Nakayama: "Excitonic processes in GaAs/AlAs type-II superlattices"J.Lumin.. 87-89. 15-19 (2000)
• [文献書誌] H.Ichida,M.Nakayama,and H.Nishimua: "Stimulated emission from exciton-exciton scattering in CuBr thin films"J.Lumin.. 87-89. 235-237 (2000)
• [文献書誌] M.Nakayama,T.Nakanishi,Z.S.Piao,H.Nishimura,M.Takahashi,and N.Egami: "Oscillator strength of type-II light-hole exciton in In_xGa_<1-x>As/GaAs strained single-quantum wells"Physica E. 7. 567-571 (2000)
• [文献書誌] H.Ichida,K.Tsuji,K.Mizoguchi,H.Nishimura,and M.Nakayama: "Transition from biexcitons to e1ectron-hole plasma in photoluminescence properties of a GaAs/AlAs multiple-quantum-well structure"Int.J.Material Science B. 印刷中. (2001)
• [文献書誌] H.Ichida and M.Nakayama: "Evidence for quantum statistics of the exciton-biexciton system in a GaAs/AlAs type-II superlattice"Physical Review. B63(印刷中). (2001)
• [文献書誌] 市田秀樹,中村正昭: "GaAs/AlAsタイプ-II超格子における励起子-励起子分子系の異常分布"第11回光物性研究会 論文集. 161-164 (2000)
• [文献書誌] 阪東毅,赤井一郎,唐沢力,井上恒一,中島尚男: "Al_xGa_<1-x>As/AlA量子細線における高密度励起子の振舞い"第11回光物性研究会 論文集. 69-72 (2000)
• [文献書誌] 白坂康之,三野弘文,赤井一郎,唐沢力: "層状結晶BiI_3における励起子-ポラリトン集団の空間的振舞い"第11回光物性研究会 論文集. 285-288 (2000)
• [文献書誌] 丹治淳,白坂康之,赤井一郎,唐沢力,V.F.Aguekian: "縮退四光波混合法による層状結晶GaSe中高密度励起子のコヒーレント伝播の観測"第11回光物性研究会 論文集. 289-292 (2000)
• [文献書誌] 新田仁,鈴木正人,飯田武: "正孔注入された電子格子強結合系での多重安定性と光励起に伴う電荷分離"第11回光物性研究会 論文集. 381-384 (2000)