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2021 年度 実績報告書

ワイル半金属における赤外応答光電流ダイナミクスのテラヘルツ放射分光

研究課題

研究課題/領域番号 20K15198
研究機関東京大学

研究代表者

五月女 真人  東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任助教 (40783999)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
キーワードシフト電流 / 光電流 / 光電流 / テラヘルツ / 超高速分光 / 中赤外 / 半導体 / フェムト秒
研究実績の概要

光吸収に伴って電流が生じる光電流は太陽電池や光検出器などに広く用いられている物理現象である。そこでは、電子と正孔が粒子として移動するという古典的描像が信じられてきた。しかし最近、電子雲がコヒーレントに瞬時に伝搬する「シフト電流」という光電流の描像が近年の新型太陽電池の基礎であると理論が提唱されはじめた。シフト電流は「瞬時に」単位格子を超えて伝搬する非局在性を持ち、これが高効率性に関連しているという理論が提唱されていた。これまでの研究で我々は、近赤外~可視域(0.5-2.6eV)においてシフト電流感受率を評価する研究を行ってきた。この実験技術を生かすことで、将来の赤外光電変換デバイスでの光電効果の基礎原理となるシフト電流の超高速ダイナミクスを観測できることが期待された。
本研究ではまず、2Kの低温環境で熱の影響を少なくしながらシフト電流からのテラヘルツ波発生を観測する実験系を構築した。シフト電流のモデル物質として、化合物半導体CdSにおける励起子共鳴励起でのシフト電流ダイナミクスを観測することに成功し、そのスペクトルがシフト電流の理論と定量的に一致することを見出した[M. Sotome et al., Physical Review B 103, L241111 (2021)]。
中赤外域に分子内・分子間振動モードによる吸収ピークを持つことが多い有機非線形光学結晶を候補物質として幅広い波長帯でテラヘルツ波発生を探索した。吸収のない近赤外光励起で非線形光学効果による高効率なテラヘルツ波発生が見いだした[M. Sotome et al., Optics Express 29, 10048-10058 (2021)]。有機分子性結晶の多くは中赤外域には分子振動モードを起源とする光学フォノン吸収があることから、中赤外光吸収による光電流も期待される。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件)

  • [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Massachusetts Institute of Technology
  • [国際共同研究] National Taiwan University(その他の国・地域)

    • 国名
      その他の国・地域
    • 外国機関名
      National Taiwan University
  • [雑誌論文] Highly-efficient terahertz emission from hydrogen-bonded single molecular crystal 4-nitro-2,5-bis(phenylethynyl)aniline2021

    • 著者名/発表者名
      Sotome Masato、Ogaki Takuya、Takimiya Kazuo、Ogawa Naoki
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 29 ページ: 10048~10048

    • DOI

      10.1364/OE.418312

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Terahertz emission spectroscopy of ultrafast exciton shift current in the noncentrosymmetric semiconductor CdS2021

    • 著者名/発表者名
      Sotome M.、Nakamura M.、Morimoto T.、Zhang Y.、Guo G.-Y.、Kawasaki M.、Nagaosa N.、Tokura Y.、Ogawa N.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 ページ: L241111-

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.L241111

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 空間反転対称性の破れた物質における量子力学的な光起電力「シフト電流」2021

    • 著者名/発表者名
      中村 優男、五月女 真人、小川 直毅、川﨑 雅司
    • 雑誌名

      応用物理

      巻: 90 ページ: 98~102

    • DOI

      10.11470/oubutsu.90.2_98

    • 査読あり

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公開日: 2022-12-28  

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