低次元励起子のFano共鳴

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11640308
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 日野 健一 筑波大学, 物質工学系, 助教授 (90228742)
• キーワード: 励起子 / Fano共鳴 / 光吸収スペクトル / 量子井戸 / 超格子 / Wannier-Stark階段

研究概要

量子井戸、超格子などの低次元半導体の励起子には、空間次元の量子閉じ込め効果によるサブバンド分裂に従って、バルク系では現れない多チャンネル散乱状態であるFano共鳴状態が発現する。従来、この状態を理論的に記述するためにはいくつかの問題があり不完全なものであった。例えば、殆どの方法では、計算の安定化のため経験的なパラメータの導入が不可避であったり、価電子帯混合効果を無視していた。これらの問題をすべて克服するため、価電子帯混合を考慮したLuttinger Hamiltonianに基づいて、断熱展開法とR行列法を適用した新しい励起子の多チャンネル散乱理論を構築しすることに成功した。これにより、自然スペクトルや共鳴幅等の計算をab initioに遂行できるようになり、実験との詳細な比較も可能となった。
本年度は、この新しい方法を基に、GaAs/Al_xGa_<1-x>Asの量子井戸や超格子(Wannier-Stark ladder(WSL))におけるFano共鳴を詳細に調べた。単一量子井戸では、井戸幅の増大に従って最も吸収強度の大きいe2-hh2サブバンドの1sFano共鳴スペクトルが隣接するパリティ禁制遷移のスペクトルと重なり、顕著な干渉によってスペクトル形状や共鳴幅が不規則に変化することが見出され、価電子帯混合が重要な役割を果たしていることが分かった。非対称2重量子井戸においては、狭い井戸のlh1と広い井戸e1に起因する励起子が、それらのサブバンドの電子・正孔の波動関数の重なりは小さいにも関わらず、ある程度大きな吸収強度を有することが分かった。これも価電子帯混合によるものである。この異常な遷移は、実験との比較により存在することは確認された。また、WSLにおけるFano共鳴では、印加電場の大きさの変化に応じて、共鳴幅が不規則に変化することがわかった。これはFranz-Keldysh領域において特に顕著になる。

研究成果

• [文献書誌] K. Hino: "Novel Approach to Fano Resonance of Excitons in Semiconductor Quantum Wells"Excitonic Processes in Condensed Matter, ed. K. Cho and A. Matsui(World Scientific, Singapore, 2001). 217-220
• [文献書誌] K. Hino: "Overlap structure of Fano-resonance profiles of excitons in a semiconductor quantum well"Phys. Rev. B. 64. 075318_1-075318_12 (2001)
• [文献書誌] T. Morishita, K. Hino, T. Edamura, D. Kato, S. Watanabe, M. Matsuzawa: "Hyperspherical L^2-integrable basis method for energetic proton and anti-proton impact autoionization of a helium"J. Phys. B. 34. L475-L484 (2001)
• [文献書誌] J. Azuma, N. Toshima, K. Hino, A. Igarashi: "Basis-spline calculations of proton and anti-proton impact ionization of a hydrogen atom"Phys. Rev. A. 64. 062704_1-062704_9 (2001)
• [文献書誌] K. Hino: "High-Resolution Calculations of Fano Resonance of Excitons in Semiconductor Quantum Wells and Superlattices"Bulletin of the Stefan University, Luminescent Materials. 14. 39-42 (2002)