| 研究課題/領域番号 |
26400317
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
中 暢子 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10292830)
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| 研究分担者 |
秋元 郁子 和歌山大学, システム工学部, 准教授 (00314055)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 光キャリア / 間接遷移型半導体 / スピン緩和 |
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| 研究実績の概要 |
シリコンやダイヤモンドなどの軽元素半導体は、小さなスピン軌道相互作用や結晶の反転対称性に起因してスピン緩和が起こりにくく、長いスピンコヒーレンス時間が期待される。しかし、間接遷移型ギャップゆえにフォノンを介する各種光学遷移の定量評価や伝導キャリアのスピン配向の実験的検証が困難であった。本研究では、偏光レーザー光の照射によりスピン偏極したキャリアの注入を試み、光注入キャリアのスピン緩和時間や輸送現象の測定を行うことによって、これまで測定困難であった物質のスピン物性測定法を確立することを目指している。本年度は以下の二項目に重点をおき、研究を進めた。
１）スピン偏極キャリアの光注入
軽元素半導体のうち最も長いスピン緩和時間が予測されている非ドープの真性ダイヤモンドを用いてキャリアの光注入を行い、スピン配位の異なる状態間の緩和ダイナミクスを時間分解サイクロトロン共鳴実験により明らかにした。すなわち、スピンが緩和していく様子を軽い正孔、重い正孔による信号強度の変化として捉え、励起波長依存性と温度依存性の詳細な測定に基づいてスピン緩和機構を考察した。
２）拡散定数に基づく運動量緩和時間の評価
時間分解発光イメージングの手法により真性ダイヤモンド中に光注入される電子正孔の拡散定数の温度依存性を詳しく測定した。自由キャリアからの信号と励起子からの信号をスペクトル上で分離する方法により、極低温までの励起子の拡散長を抽出することに初めて成功した。また、温度依存性を解析することにより、キャリアおよび励起子の緩和機構が縦波音響フォノンによるバンド内散乱、横波音響フォノンによるバンド間散乱、および励起子と自由キャリア系の間の化学平衡により説明できることを明らかにした。さらに、得られた拡散定数にアインシュタインの関係式を用いて、キャリアおよび励起子の運動量緩和時間を評価した。
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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
平成26年度に予定していた実験は順調に遂行でき、励起子のスピンおよび運動量緩和機構に関して新たな知見を得ることができた。学会発表や論文投稿などの成果の公表も順調に進んでいる。また、平成27年度に研究実施を予定している圧力印加実験に向けて、試料ホルダーの作成と圧力印加テストは前倒しで行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度は、以下の研究項目を重点的に進める予定である。
１）サイクロトロン共鳴による角運動量の同定
サイクロトロン共鳴法では、異なる角運動量をもつ軽い正孔と重い正孔を、それらの有効質量の違いにより、共鳴磁場の違いとして分離して抽出することができる。これを利用して、励起光の偏光状態を変えた場合のサイクロトロン共鳴信号の変化を測定し、励起光の状態と生成されるキャリアの角運動量の対応付けを行う。同様の測定を温度や光強度を変えて行い、スピン偏極度を吟味する。
２） 圧力印加による偏極度の制御
結晶に応力をかけると、バンドの縮退を解いたり、スピン緩和速度を決める正孔バンド間の混合具合を変化させたりすることができる。そこで、外部応力を用いてスピン偏極度の外部制御を行う。これまで経験があるダイヤモンドの[110]結晶軸方向への一軸性圧力印加に加えて、異なる結晶方向への圧力印加や二軸圧力の印加方法を検討する。また、圧力印加のもとでの励起子の空間拡散の効果も実験的に調査する。高い偏極度と長いスピン緩和時間が達成できれば、量子キュービットとしての性能を吟味する。
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