層状結晶高密度電子励起状態のコヒーレント伝播

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11640321
• 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) ; 赤井 一郎 大阪市立大学, 理学部, 助教授 (20212392)
• キーワード: 層状結晶 / 高密度励起子 / BiI_3 / GaSe / 励起子のコヒーレントな集団運動 / 縮退四光波混合 / 電信方程式 / Gross-Pitaevskii方程式

研究概要

@ 試料の準備としてすでにあるGaSe単結晶の他に、気相成長法でBiI_3単結晶の育成を行った。
@ 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レーザー励起ピコ秒色素レーザーを用いて高密度に生成し、ポンプ・プローブ吸収とポイント励起発光スペクトルに空間分解分光法を適用してその空間的挙動を遷移スペクトル、発光強度の変化などより調べた。解析で得られた広い空間域へ拡がる励起子成分に対し、ポラリトンの伝播と、拡散を考慮した、減衰を含む古典的波動方程式(電信方程式)を解いて、時間-空間発展の解と実験結果を比較し、励起密度を増すに従いコヒーレント性が増加するような集団運動を行っていることを見出した。
@ GaSe結晶の励起子遷移域を、ナノ秒およびピコ秒色素レーザーで共鳴励起し、空間分解分光法を適用して、励起子の伝播速度と空間的に広がる誘導放射過程を調べた。伝播速度として、〜10^8cm/secと異常に早い成分を見出した。また、誘導放射過程によるスペクトルが、励起サイズより広がって観測され、コヒーレントな伝播との関係が示唆された。
@ BiI_3 SFE励起子系およびGaSe励起子系に、モードロックNd:YAGレーザー励起ピコ秒色素レーザーを用いて、縮退四光波混合(DFWM)光による位相緩和を調ベ、励起密度の増加に対し散乱緩和が抑制されることを見出した。また、励起2光束を空間分離したDFWM信号の空間分解分光法による検出から、高密度下で空間伝播してきたコヒーレントな励起子成分によるDFWM光信号の発生を確認した。
@ 理論的には、コヒーレントな高密度励起子集団のダイナミックスを調べるため、非線型Shrodinger方程式(Gross-Pitaevskii方程式)を解き、その時間・空間発展を明らかにし、その結果とBiI_3高密度SFE系の時間・空間的挙動を比較し、この励起子系のボーズ凝縮相の可能性について議論した。

研究成果

• [文献書誌] T. Kawasawa, H. Mino, M. Yamamoto: "Spatial Evolution of Correlated Exciton Polaritons and Their Detection by use of Four-Wave-Mixing Signals"J. Lumin.. (印刷中).
• [文献書誌] H. Mino, M. Yamamoto, T, Kawai, I. Akai, T. Karasawa: "Anomalous Behavior of the High-Density Excitons and their Nonlinear Optical Response in a Quasi Two-Dimensional Space in a Layered Crystal BiI_3"J. Lumin.. (印刷中).
• [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.. (印刷中).
• [文献書誌] A. Tanji, I. Akai, K. Kojima, T. Karasawa, I. Akai: "Exciton Transitions in the Hexagonal Cul Microcrystallites Grown on Polymers"J. Lumin.. (印刷中).
• [文献書誌] T. Iida, M. Tsubota: "Order Formation and Superfluidity of Excitons in Type-II Seimiconductor Quantum Wells"Phys. Rev.. B60, No.8. 5802-5810 (1999)
• [文献書誌] T. Iida, M. Tsubota,: "Superfluidity of Excitons in Type-II Semiconductor Quantum Well"J. Lumin.. (印刷中).
• [文献書誌] H. Nitta, M. Suzuki, T. Iida: "Calculation of One-and two-photon abosrption spectra of crystalline C_<60>"Solid State Commun.. 109, No.4. 283-288 (1999)
• [文献書誌] M. Suzuki, T. Iida. K. Nasu: "Relazation of Exdcuiton and Phtooinduced Dimerization in Crystalline C_<60>"Phys. Rev.. B61, No.3. 2188-2198 (2000)
• [文献書誌] K. Bando, I. Akai, T. Karasawa, K. Inoue, H. Nakajima: "Optical Properties of Al_xGa_<1-x>As/AlAs Quantum Wires under High Density Excitation"Proceedings of the Third SANKEN International Symposium; Advanced Nanoelectronics: Devices, Materials, and Computing. Special Issue 57. 281-282 (2000)
• [文献書誌] 三野弘文、山本勝哉、河相武利、赤井一郎、唐沢 力: "層状結晶BiI_3中高密度励起子のコヒーレント伝播と光誘起空間凝縮相"第10回光物性研究会 論文集. 253-256 (1999)
• [文献書誌] 山本勝哉、三野弘文、赤井一郎、唐沢 力、V.F. Aguekian: "層状結晶GaSe中に高密度光励起された励起子の空間的挙動"第10回光物性研究会 論文集. 13-16 (1999)
• [文献書誌] 白坂康之、金 大貴、赤井一郎、唐沢 力: "層状半導体BiI_3微結晶中の励起子の高密度化と格子緩和過程"第10回光物性研究会 論文集. 257-260 (1998)
• [文献書誌] 新田仁,鈴木正人,飯田武: "電子格子強結合系での正孔注入による多重安定性の出現とその光学的性質"第10回光物性研究会 論文集. 101-104 (1999)
• [文献書誌] 小川善行、金 大貴、赤井一郎、唐沢 力、小松晃雄: "Hot-Wall法により作成した層状BiI_3の薄膜、微結晶における励起子発光と試料評価"第10回光物性研究会 論文集. 329-332 (1999)
• [文献書誌] 丹治 淳、赤井一郎、唐沢 力、小松晃雄: "PMMA基板上Hexagonal CuI微結晶における励起子・励起子分子の量子閉じ込め効果"第10回光物性研究会 論文集. 189-192 (1999)