間接型半導体における電子正孔系量子凝縮相実現へむけた相制御の研究

间接半导体中实现电子空穴量子凝聚相的相位控制研究

基本信息

批准号：
10J08168
负责人：
鈴木剛
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

間接遷移型半導体における量子凝縮相実現のために、本年度は、比較的高温で起こる励起子モット転移について精力的に研究し、一定の成果を上げることに成功した。間接遷移型半導体Siにおける励起子モット転移については、様々な励起密度における自由キャリア及び励起子の振る舞いを、各々の成分の密度及び散乱確率を定量的に求めることにより考察し、転移密度近傍における自由キャリアの強い相関の発現や、縦波共鳴モードにおいて励起子とプラズモンが結合することなどを明らかにした。さらに、広い温度・密度領域において、イオン化率を求めることで、Siにおける、励起子モットクロスオーバー領域における相図を決定した。イオン化率の振る舞いを見ると、高温領域では、サバ方程式に半定量的に従い、励起子と自由キャリアの割合が、熱力学的安定性に従って決まっていることが分かった。一方、低温領域においては、遮蔽効果が顕在化し、励起密度の上昇と共に励起子が解離していく様子が表れ、低温になるほど、より急峻にイオン化率が上昇する様子が表れた。このことは、一つの可能性として、より低温で予言されている一次転移の前兆の可能性を示唆する結果であると考えられる。直接遷移型GaAsにおける励起子モット転移の研究では、波形整形技術の開発により、励起子共鳴励起が可能になった。励起子共鳴励起下での振る舞いは、励起子の応答が過渡的に観測されるものの、非常に不安定であり、わずか5ps後には解離していく振る舞いも観測された。しかしながら、励起子の応答は、モット密度以上でも表れ、かつ1s-2p遷移エネルギよが変化しないことから、Siで見出された励起子の頑強さは、GaAsにも共通する普遍的なものである可能性を示唆する結果である。このように本年度は、励起子モット転移を詳細に調べ、量子凝縮相実現のために、有益な情報を得ることができた。

为了实现间接跃迁型半导体中的量子凝聚相，今年我们一直在积极研究在较高温度下发生的激子莫特跃迁，并成功取得了一定的成果。关于间接跃迁半导体Si中的激子莫特跃迁，我们通过定量确定每个组分的密度和散射概率来考虑自由载流子和激子在不同激发密度下的行为，我们阐明了强载流子相关性的出现和耦合。纵向共振模式下的激子和等离子体激元。此外，通过确定较宽温度和密度范围内的电离率，我们确定了硅中激子莫特交叉区域的相图。观察电离率的行为，我们发现在高温区域，激子与自由载流子的比率是根据热力学稳定性确定的，半定量地遵循萨巴方程。另一方面，在低温区，屏蔽效应变得明显，并且随着激发密度的增加，激子解离，并且随着温度的降低，电离速率增加得更快。一种可能性是，这一结果表明有可能出现在较低温度下预测的一级转变的前兆。在直接跃迁砷化镓中激子莫特跃迁的研究中，波形整形技术的发展使得激子谐振激发成为可能。尽管在激子共振激发下观察到了短暂的激子响应，但它极不稳定，仅在5 ps后就观察到解离。然而，激子响应甚至出现在莫特密度之上，并且 1s-2p 跃迁能量不会改变，因此在 Si 中发现的激子鲁棒性是普遍的，并且对于 GaAs 也是如此，这一结果表明了一种可能性。这样，今年我们详细研究了激子莫特跃迁，获得了对于实现量子凝聚相有用的信息。