| 研究課題/領域番号 |
17H02773
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
深津 晋 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (60199164)
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| 研究分担者 |
安武 裕輔 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (10526726)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ゲルマニウム / 共鳴誘導ラマン過程 / 共鳴電子ラマン利得 / 非自明な誘導放出光発生機構 / スプリットオフ正孔 / 前方散乱ポンプ・プローブ測定 / フェムト秒円偏光蛍光相関測定 / バレー間散乱 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、間接遷移半導体ゲルマニウムによるレーザー発振を究極目標に新奇な電子励起法を利用した非自明な誘導放出光発生機構の実現を目指している。ゲルマニウムの2準位バンド間遷移光利得は高引張歪の下でごく過渡的に発生し、再現性にも欠けることが問題であった。これらは小さな利得と大きな再吸収ほかの損失が原因である。そこでゲルマニウムに特徴的な価電子帯電子ラマン遷移を利用することでバンド間光学遷移利得の劇的な改善を試みる。スプリットオフ正孔起源の共鳴誘導ラマン過程で発生する動的な3準位形成を通じて再吸収損失の大きな2準位電子系からの脱却を図る。
初年度では共鳴電子ラマン利得が発現する物理システムの構築を柱に3準位電子系の設計・構築に注力し、バンド端とスプリットオフ正孔電子ラマン遷移の相乗効果の発現を模索した。まず理論計算から歪Geバンドの電子ラマン遷移のエネルギー位置を同定し、負の円偏光率を指標に伸張歪Ge試料におけるスプリットオフバンド正孔起源の電子ラマン遷移発生のバンド端共鳴効果の検証を試みた。片持ち梁で一軸性引っ張り応力を印加し、発光スぺクトルと円偏光度をモニタしつつ共鳴電子ラマン遷移のための一軸性歪を最適化した。さらに前方散乱配置のポンプ・プローブ蛍光測定からスプリットオフ正孔起源の共鳴電子ラマン遷移近傍に負の吸収が発生する効果を見出した。一方、負の円偏光度に非線形な励起強度依存性が付随する事実に注目し、パルスレーザー励起のフェムト秒円偏光蛍光相関測定から電子ラマン遷移のスピン緩和時間がバンド端よりも５倍以上早くなる効果を見出した。これを動機に光励起発振の観点から電子緩和を司るバレー間散乱の知見集積に努めた。ゾーン中心の電子の再分布過程を追跡することで電子の実効的な寿命が数10フェムト秒、ゾーン中心とLバレー間ではフォノンを介した局所平衡が維持されないことなど新たにがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
共鳴電子ラマン利得が発現する物理システムの構築を柱に3準位電子系の設計、試料作製、バンド端とスプリットオフ正孔電子ラマンの歪制御などを計画にしたがって進めてきた。その結果、スプリットオフ正孔電子ラマン遷移をスペクトル上で可視化することに成功するとともに負の円偏光率計測、過渡吸収測定、時間分解蛍光観測などを通じてバンド端共鳴効果発現に向けて多くの知見が集積できた。さらにマルチバレー半導体に特有の効果として光励起後の熱い電子が大きな波数のバレー間散乱を通じて複数の電子バレーを飛び回り、その結果として電子がエネルギー緩和する一見奇妙な振る舞いが本研究から明らかになった。これらはレーザー発振を計画する上で考慮すべき重要な事項であるとともにマルチバレー半導体の物理として意義深い。しかしその一方で実験設備の関係で当初計画では平行して推進する筈だった光利得評価系の整備と導波路構造作製にやや遅れが生じた。
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| 今後の研究の推進方策 |
光利得評価系の整備と導波路構造作製に着手することから始めて反転分布のないバンド端利得の発生を目指す。具体的には低間接端吸収特性の検証とともに伸張歪Geの直線導波路を設計・製作し、光励起下においてオン・オフ利得の評価を行う。とくに電子ラマン遷移は３次非線形光学効果だから感受率の虚部が負号を持つ限りポンプ強度の増強によりラマン利得が発生する筈であり、ラマン利得増強を目的とした微細構造化を通じてこれを試みる。さらに2光子干渉によって光子統計の変化を追跡する一方で可変長ストライプ法や吸収ホールバーニングの測定から増幅自然放出光発生と近赤外利得の検証を試みる。
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