2015 Fiscal Year Annual Research Report
銅ハライド系マイクロキャビティにおける励起子ポラリトン凝縮の制御
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15H03678
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
中山 正昭 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (30172480)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | マイクロキャビティ / 銅ハライド / 分布ブラッグ反射鏡 / 励起子ポラリトン凝縮 / 励起子ポラリトン分散関係 / 角度分解発光分光法 / 拡散性Goldstoneモード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 銅ハライド（CuBr、CuCl、及び、CuI）を活性層とした分布ブラッグ反射鏡型マイクロキャビティを系統的に作製した。分布ブラッグ反射鏡には、HfO2/SiO2多層膜を採用した。銅ハライド活性層の作製には超高真空蒸着法を用い、分布ブラッグ反射鏡の作製には2元rfマグネトロンスパッタリング法を用いた。構造評価は、X線構造解析、原子間力顕微鏡、及び、触針式膜厚計を用いて行った。作製した全ての試料のキャビティポラリトンの基礎特性［分散関係、ラビ分裂エネルギー、離調度、光閉じ込め係数（Q値）］について、角度分解反射分光法から得られたポラリトンエネルギーの入射角度依存性を励起子－フォトン強結合に関する現象論的ハミルトニアンを用いて定量的に解析した。
2. ポラリトン凝縮に関しては、面内波数ベクトルk=0におけるlower polariton branch (LPB)からの発光をプローブとして、以下を指標として検証した。①発光強度の閾値的増大（基底状態のポラリトン占有数の劇的増大）、②発光スペクトル幅の閾値的減少（運動量空間でのポラリトン分布の劇的収縮）、及び、③発光エネルギーの閾値的ブルーシフト（ポラリトン相互作用の劇的増大）。励起光源には、パルス幅110fsのモード同期Ti:sapphireパルスレーザーと本補助金で購入したナノ秒パルスYAGレーザー（355nm）を用いた。平成27年度の研究によって、CuBrマイクロキャビティにおけるポラリトン凝縮が液体窒素温度（77K）において確実に実現できることが明らかとなった。その実現条件は、Q>1000、離調度<±30meVである。さらに、角度分解発光スペクトルの励起強度依存性から、ポラリトン凝縮状態でのLPB分散関係が、k=0近傍でフラットな特性を示すことを見いだし、非平衡凝縮状態特有の拡散性Goldstoneモードとして解釈できるという結果を得ている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的は、以下の通りである。
銅ハライド（CuBr、CuCl、及び、CuI）を励起子活性層とした分布ブラッグ反射鏡型マイクロキャビティを独自に作製し、発光特性の観点から、次のことを目的として研究を行う。① CuBr、CuCl、及び、CuIマイクロキャビティにおいて、励起子ポラリトン凝縮を実現する。② 試料作製段階で離調度（面内波数ベクトル=0での励起子とキャビティフォトンのエネルギー差）を変化させてポラリトンを構成する光子と励起子の成分比を制御し、それにより励起子ポラリトン凝縮の諸特性［凝縮密度、ポラリトン再構成（ポラリトン－ポラリトン相互作用によるポラリトン分散関係の変化）、凝縮温度］を制御する。③ 励起子ポラリトン凝縮におけるポラリトンの緩和過程（ボソン終状態誘導）、及び、発光寿命と離調度との相関について、発光ダイナミクスの観点から明らかにする。
この目的に対して、平成27年度では、多様かつ系統的な試料作製と評価・実験から、CuBrマイクロキャビティにおいて、離調度とQ値を制御することにより（離調度<±30meV、Q>1000）、77Kという比較的高温でポラリトン凝縮が確実に実現できる条件を確立した。さらに、ポラリトン凝縮体の分散関係が、非平衡凝縮状態特有の拡散性Goldstoneモードとして解釈できることを世界に先駆けて明らかにした。この拡散性Goldstoneモードの発現は、予期していなかったことであり、本研究におけるセレンディピティと言える重要な発見である。以上の成果は、目的の①と②の中核となるものである。また、CuIマイクロキャビティにおいても、再現性は今後の課題であるが、ポラリトン凝縮を検出した。目的の③に関しても、CuBrマイクロキャビティを試料として予備実験を行っており、ポラリトン凝縮によってポラリトン緩和過程が極めて速くなることを観測した。
以上のことから、研究は概ね順調に進展していると自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. これまでの研究によってCuBrマイクロキャビティにおけるポラリトン凝縮を実現するための試料作製条件が確立できたので、その知見に基づいて、CuIとCuClマイクロキャビティにおけるポラリトン凝縮条件の確立を目指す。ポラリトン凝縮を実現するための最も大きな要因は、これまでの結果から光閉じ込め係数Q>1000の試料を作製することである。高いQ値を得るためには、活性層と分布ブラッグ反射鏡の膜厚精度と界面ラフネスを向上させることが必要であり、CuIとCuClマイクロキャビティにおける薄膜作製条件を最適化する。
2. CuBrマイクロキャビティにおいて見いだしたポラリトン凝縮体の特異的な分散関係［拡散性Goldstoneモード（面内波数ベクトルk=0近傍でのフラットな分散関係）］に関して、離調度依存性を中心にその詳細を明らかにする。実験的には、角度分解発光スペクトルの精密測定を行う。さらに、CuIとCuClマイクロキャビティにおけるポラリトン凝縮の実現に合わせて、それらのポラリトン凝縮体の分散関係を系統的に測定し、拡散性Goldstoneモードがユニバーサルな現象であるかどうかを検証する。
3. 離調度が異なるポラリトン凝縮が実現できた試料を対象に、フェムト秒Ti:sapphireレーザーとストリークカメラシステムを組み合わせてポラリトン発光ダイナミクスの励起強度依存性の系統的な測定を行い、ポラリトンの緩和過程と発光過程に関するポラリトン凝縮の効果を明らかにする。
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Research Products
(7 results)
