2016 Fiscal Year Annual Research Report
Research on formation of quantum ordered states in ultra cold electron-hole system by spectroscopy of electron states under extreme environments
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26247049
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
五神 真 東京大学, 本部(総長), 総長 (70161809)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉岡 孝高 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70451804)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光物性 / 励起子 / 光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
A. 光励起半導体励起子・電子正孔系における量子凝縮相の解明と制御
(A-1) 準熱平衡状態励起子系の安定化された自発的BECの観測：希釈冷凍機温度において歪トラップした亜酸化銅1sパラ励起子の中赤外誘導吸収イメージングを実現し、更に励起子発光の精密分光を両立する実験系を組み立てた。精密分光による励起子温度評価に基づき、励起子温度を100mK台に保ちながらBEC転移密度を超える高密度領域での吸収イメージングを実行した。更に励起子発光の時間分解実験も進め、注目している低温高密度下の特異な発光の振る舞いに関わる重要な知見が得られている。
(A-2) 非平衡励起子系の量子縮退：一般化されたドルーデ応答モデルに基づく理論計算から、ダイヤモンド高密度電子正孔系における誘電応答の緩和レートの周波数依存性を明らかにした。緩和レートは低周波側で減少し、極低温で発現が予測されている電子正孔BCS状態のギャップ周波数においては、ギャップエネルギーのレート尺度より十分に小さくなることを明らかにした。この結果は、フェルミ縮退した電子正孔系における量子多体現象を誘電応答測定で探索可能であることを示唆している。
B. レーザー角度分解光電子分光による光励起状態のの新検出手法開拓
光電子分光測定において、試料まわりの物質に起因した静電場を低減することで低い運動エネルギーを持つ光電子の放出角度をより正確に把握することに成功した。試料としてトポロジカル絶縁体Bi2Se3を用い、ピコ秒モード同期Ti:Sレーザーの四倍波を入射して角度分解光電子分光を行った。次に、同レーザーの第二高調波を半導体GaSeに照射して光励起し、直後に光電子放出用の第四高調波を照射することで、GaSeのバンド間励起に由来した伝導帯の電子分布を低温下9Kにおいて観察することに成功した。このとき連続光を試料に照射し続けることで試料の帯電を抑制した。
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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
A. 光励起半導体励起子・電子正孔系における量子凝縮相の解明と制御
(A-1) 準熱平衡状態励起子系の安定化された自発的BECの観測：目標としていた励起子温度を極低温に制御した状況での誘導吸収イメージングによる系統的計測を実現することができた。バルク励起子特有の特徴を抽出するべく、吸収イメージングによって得られるトラップ中のパラ励起子の空間分布の情報と、励起子発光の精密分光によって得られる情報を合わせて解析を進めている。また継続して行われた発光の時間分解測定についても、励起子間の非弾性散乱過程のみならず、低温高密度下での発光の特異な振る舞いに関わる結果が得られた。(A-2) 非平衡励起子系の量子縮退：間接遷移型半導体のダイヤモンドにおいて形成されるフェルミ縮退した電子正孔液滴相の、中赤外域の誘電応答の挙動について詳細な解析を目標通り進めた。その結果ダイヤモンド高密度電子正孔系における誘電応答の緩和レートのプローブ周波数依存性が明らかになり、フェルミ縮退した電子正孔系における極低温での量子多体現象の探索において重要な知見となった。
B. レーザー角度分解光電子分光による光励起状態のの新検出手法開拓
半導体における光励起状態の電子分布の精密な観測を進めることを計画として掲げていた。そこで、連続光を試料に照射することで光電子分光では問題となっていた試料帯電を抑制する手法を実現した。本手法により、光電子分光による測定可能な試料の範囲を絶縁性物質にまで拡張することに成功し、半導体のバンド間励起由来の電子分布の観察を実現した。
以上の点を総合して、当初の計画通り進められているものと判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
A.光励起半導体励起子・電子正孔系における量子凝縮相の解明と制御
(A-1) 準熱平衡状態励起子系の安定化された自発的BECの観測：希釈冷凍機を用いて励起子温度100mK付近まで冷却された亜酸化銅結晶中の1sパラ励起子について、安定な自発的BECの観測実験を更に展開させていく。昨年度、亜酸化銅励起子における1s-2p遷移を用いたライマン分光法による系統的実験を実現した。本実験で得られた定量的な知見と、従来進めてきた発光測定実験の相互比較を系統的に行い、バルク励起子BEC特有の特徴抽出を目指す。時間分解測定についても継続し、本解析手法をもって従来BEC実現の障壁となってきた非弾性散乱過程のみならず、今まで調べられることのなかった量子縮退領域での発光機構の究明を目指す。そして研究期間全体の成果について論文出版や学会発表を行う等、まとめを行う。
(A-2) 非平衡励起子系の量子凝縮：間接遷移型半導体のダイヤモンドにおいて形成されるフェルミ縮退した電子正孔液滴相の、中赤外域の誘電応答の挙動について詳細な解析を引き続き進める。昨年度の解析により電子正孔液滴相の巨視的量子現象の形成のために必要な条件を突き止めることができた。今年度は主に論文出版に注力する。
B.レーザー角度分解光電子分光による光励起状態の新検出法開拓
昨年度までに、高い波数分解能を有する時間分解角度分解光電子分光装置の開発に成功した。また、帯電抑制用の光を試料に照射することで半導体であるセレン化ガリウムの光電子分光測定にも成功し、測定可能な試料の範囲を拡張した。今年度は金属やトポロジカル絶縁体に加え、半導体に対し清浄表面出しと帯電対策を施した上で光励起状態の光電子観測を行い、室温から系統的に温度を低下させる。このことで、励起子の形成に伴う信号の変化を捉える。以上について論文出版等のまとめを行う。
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