| 研究課題/領域番号 |
20K03808
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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研究代表者 |
宮島 顕祐 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 准教授 (20397764)
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| 研究分担者 |
石川 陽 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (10508807)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 超蛍光 / 量子揺らぎ / 量子ドット |
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| 研究実績の概要 |
超蛍光はコヒーレントに結合した多数の二準位系からの協同的な発光であり、パルス光として放出される。ここで、二準位系のコヒーレンス形成は自然放出光をトリガーとして自発的に生じる。そのため、同じ励起条件下においても量子揺らぎに起因して超蛍光パルスはその時間波形などが揺らいでいる。我々は、半導体量子ドット集合系でのコヒーレンス形成過程における量子揺らぎを捉えることを試みた。これまで、単一パルス発光のスペクトル幅の揺らぎによって間接的に時間波形の揺らぎを議論しており、励起空間内で複数のコヒーレンス形成が生じている領域（以下、ドメインと呼ぶ）があると考えていた。
本年度は超蛍光パルスの偏光度の揺らぎを測定した。試料からの発光をウォラストン・プリズムによって２つの直線偏光成分に分け、各々の発光スペクトル測定を同時に行えるようにしたうえで、単一パルス発光測定を行った。励起密度を増大させながら発光スペクトルを取得し、各単一発光の偏光度の揺らぎを解析した。さらに、発光測定の光路の途中にピンホールを導入した。このピンホールの導入によって、観測した超蛍光パルスに寄与するドメインの数を減少されることで、揺らぎを捉えることができる。
実験の結果、励起密度増大による自然放出から超蛍光へ移行する過程で偏光度揺らぎが増大すること、超蛍光が支配的な領域ではドメイン数が増大するために偏光度揺らぎが減少することを明らかにした。さらに、光路途中に設置したピンホール穴径を小さくしていくと偏光度の揺らぎが大きくなることを明らかにした。この結果は、発光に寄与するドメイン数の減少によって偏光度揺らぎが大きくなることを示している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究で行っている単一発光スペクトル測定では、発光に対する高い検出効率が求められる。本年度はこの光学系の改善を行った。特に、２つの直線偏光成分に分けた発光を直接分光器のスリットへ集光し、CCDによって同時に検出する系を構築することに成功した。この手法によって、励起エネルギーや励起密度などの様々な条件下に対しての単一発光測定が可能となった。
研究成果においては、半導体量子ドット集合系において超蛍光に生じる量子揺らぎの影響を明確に示した。我々の結果は、固体中でのコヒーレンス形成過程の研究に有効な手段の一つであると言える。一方で、現在の実験結果では１つのパルス発光に対して30個程度のドメインが寄与していると見積もっている。今後、１つのドメインからの超蛍光パルスを捉えることができれば、コヒーレンス形成に関する本質的な振る舞いを明らかにすることができる。
研究自体は計画に沿って進めており、また当初想定していた事以上の結果を得た。一方、2020年度はコロナ禍の影響で実験時間が十分に取れなかったこともあり、進捗はやや遅れている。早い段階で次の研究へ展開したいと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
CuCl量子ドットからの超蛍光に関して、2020年度においては偏光度揺らぎを明確に捉えることに成功した。現在の実験結果に対して数値計算との比較を行い、観測している単一発光に寄与しているドメインの数は30ほどであると予想している。
よって、研究の方針として、１つのドメインからの超蛍光パルスを捉えることを目的とする。具体的には励起体積を小さくすることで生じるドメイン数を減らし、かつ発光の検出効率を向上させる。現在の実験系をコンパクトにし、かつ光路調整と光学素子の選定によって、上記の目標を実現する。偏光度揺らぎは、直線偏光だけではなく円偏光度についても評価を行う。これらの実験によって、半導体量子ドット集合系におけるコヒーレンス形成過程を詳細に議論することができる。
続いて、外部からトリガー光を入射することによって、そのコヒーレンス形成過程を制御することを試みる。外部からの光によってコヒーレンス形成が生じることがあれば、超蛍光の揺らぎは小さくなり、パルスの時間発展も制御することができる。また、励起空間内を光が伝搬していく効果を明らかにし、より指向性の強い超短パルス光を実現する機構を提案していく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍の影響により、研究活動時間が十分に取れず、物品費が予定より少なくなった。今年度は当初計画していた実験遂行のための光学素子の購入を行う。
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