| 研究課題/領域番号 |
22244036
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
島野 亮 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (40262042)
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| 研究期間 (年度) |
2010-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 励起子 / 電子正孔プラズマ / ボース-アインシュタイン凝縮 / 励起子モット転移 / 電子正孔BCS状態 / s波超伝導 / ヒッグスモード / 量子凝縮 |
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| 研究概要 |
1.直接遷移型半導体GaAsの励起子モット転移：励起子を直接共鳴励起し、その密度を増加させた場合にモット転移がどのように生じるかを調べるために、直接選型半導体GaAsにおける励起子モット転移を調べた。光励起光プローブ分光、光励起テラヘルツプローブ分光、時間分解及び時間積分発光測定の比較から、電子正孔プラズマ相においても発光スペクトルには励起子エネルギーでピークが現れることを明らかにし、電子正孔プラズマにおける多体クーロン相関の効果を明瞭に捉えることに成功した。
2. 1軸性圧力印加によるGe電子正孔系の電子正孔液滴形成の抑制：Ge単結晶に一軸性圧力を印加することでバンドの縮退を解消し、量子凝縮相実現にとって重要な中間密度領域を達成する上で障害となる電子正孔液滴の形成を抑制することに成功した。電子正孔液滴の存在を示す表面プラズモン共鳴が圧力印加により消失することを確かめた。
3．1軸性圧力下・強磁場下におけるGe電子正孔系のテラヘルツ分光：強磁場により励起子スピン縮重度を解消し、励起子ボース-アインシュタイン凝縮の臨界温度の上昇を試みた。一軸性圧力下強磁場下という極限環境下での光励起テラヘルツ分光を実現し、磁気励起子の内部遷移、温度、密度の定量評価に成功した。
4.ｓ波超伝導体の秩序変数の光制御：量子凝縮相は、光とどのような相互作用をするのか、秩序変数の動的な応答は光応答にどのように現れるのか、秩序変数は光で操作できるのか、という基礎的な観点から、BCS金属超伝導NbNとテラヘルツパルスとのコヒーレント相互作用を調べた。高強度テラヘルツパルス照射によりｓ波超伝導体で秩序変数の振幅の振動、いわゆるヒッグスモードの観測に初めて成功した。さらに、このヒッグスモードと電磁波との非線形相互作用を明らかにし、ヒッグスモードの共鳴に於いて非線形光学応答が巨大化する現象を発見した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
1.励起子モット転移は、極低温では励起子ボース-アインシュタイン凝縮と電子正孔BCS状態間のクロスオーバーの問題に直結し、量子凝縮相の研究として重要性の高い問題である。これまで我々は間接遷移型半導体における励起子モット転移の振る舞いを明らかにしてきたが、本研究により、直接遷移型半導体の励起子モット転移を明らかにする突破口が開けたことの意味は大きい。電子正孔プラズマ相からの発光が励起子のエネルギーで最大となるなど、クロスオーバー密度領域における多体クーロン相関の重要性を示す結果がすでに得られている。これは、半導体における「発光」現象について再考を促す結果でもある。間接遷移型半導体の結果と総合して、励起子モット転移に関して包括的な理解が得られるものと期待される。
2．間接遷移型半導体において、量子凝縮相の実現を抑制する最大の要因である電子正孔液滴形成の抑制を実現したことの意味は大きい。これにより、中間密度領域かつ極低温で、励起子ボースアインシュタイン凝縮や電子正孔BCS状態の発現の可能性を検証することが可能になった。強磁場極限、すなわち電子と正孔がともに最低ランダウ準位のみを占有する状況を実現し、その低エネルギー素励起構造を調べることができるようになったことは、長年の高密度電子正孔系の研究における重要な前進である。
3. 半導体電子正孔系の量子凝縮相は、その実現自身が研究の大きな目標であり、現段階では他の全ての物質系を含めてその確証は得られていない。このため、その先の課題である量子凝縮相の性質、光との相互作用については全く手が及んでいなかった。本研究では後者の観点からBCS金属超伝導を研究対象に含め研究を進めた。その結果、s波超伝導体のヒッグスモードの「発見」という画期的な研究成果につながり、マクロ量子状態の研究に新たな展開をもたらしたことは期待以上の大きな成果である。
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| 今後の研究の推進方策 |
1. GaAs電子正孔系の高密度励起現象:引き続き直接遷移型半導体において励起子モット転移の解明を目指して研究を進める。励起子形成ダイナミクス、励起子発光の機構解明を進める。励起子共鳴励起により極低温の電子正孔系を生成し、フェルミ面が形成される程度の高密度領域で、電子正孔クーロン引力によるフェルミ面再構成効果（電子正孔BCS状態）の検証を目指す。
2. Geの電子正孔系: 引き続き圧力・磁場印加下での磁気励起子の高密度励起効果を調べ、量子凝縮発現の有無を検証する。
3. BCS状態の光操作: 金属超伝導体における秩序変数のコヒーレント光操作、非線形応答を探求し、BCS超伝導体と光とのコヒーレント相互作用に学理を構築する。本研究で得られた知見を、半導体量子凝縮相の研究に還元する。
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