半導体電子正孔ＢＣＳ状態の巨大な光応答の探求

探索半导体电子空穴BCS态的巨大光响应

基本信息

批准号：
18J13232
负责人：
室谷悠太
金额：
$ 0.96万
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：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

半導体に強い光を照射すると多数の電子と正孔が励起され、電流が流れるようになる。このような高密度な電子正孔プラズマ中でも電子・正孔間にはクーロン引力が働くため、低温では量子力学的に束縛された電子正孔クーパー対を作って絶縁化すると考えられている。この状態を電子正孔BCS状態と呼ぶが、試料を光励起したのち十分に冷却するのは難しいことから長らく実証されていなかった。しかし昨年度の本研究により、冷却した試料に特定波長の強いレーザー光を照射することで、一時的に電子正孔BCS状態を作り出せることが示された。BCS状態は半導体だけでなく原子気体や天体物理学においても現れる普遍的な現象と考えられており、その性質の解明は量子力学や統計力学といった基礎的な物理法則の理解を深める手がかりになることが期待される。そこで本年度は、半導体中に光誘起された電子正孔BCS状態の性質をより詳しく調べるために、バルクGaAsに対して近赤外の四光波混合測定を行った。四光波混合は二本の光波が物質中で新しい光波を生み出す現象であり、生成された光を観測することで物質中に起きた現象を調べることができる。本研究では単色性の高い励起光とパルス幅の短いプローブ光を組み合わせ、超高速の時間発展を幅広い周波数帯域で観測できる測定系の構築に成功した。この系を用いた実験の結果、試料を強く光励起すると励起光の周波数から分裂していく信号が観測された。テラヘルツ分光法を用いた励起密度の評価や過去の研究との比較から、この信号は電子正孔BCS状態の形成に伴うものであることが示される。理論的にも、上記の振る舞いは励起子と呼ばれる電子正孔対が電子正孔クーパー対に変化していく様子と捉えられることが確かめられた。本研究は長らく理論模型に留まっていた電子正孔BCS状態を新しいアプローチで実証し、さらにその性質を踏み込んで調べた画期的なものであると言える。

当半导体受到强光照射时，许多电子和空穴被激发，导致电流流动。即使在如此高密度的电子-空穴等离子体中，电子和空穴之间也会产生库仑吸引力，因此人们认为在低温下会形成量子力学束缚的电子-空穴库珀对，从而导致绝缘。这种状态被称为电子空穴BCS状态，但由于光激发后样品难以充分冷却，因此很长一段时间没有得到证实。然而，去年进行的这项研究表明，通过用特定波长的强激光照射冷却的样品，可以暂时创建电子空穴 BCS 态。 BCS态被认为是一种普遍现象，不仅出现在半导体中，而且出现在原子气体和天体物理学中，其性质的阐明将为理解量子力学和统计力学等基本物理定律提供线索。因此，今年，我们对块状 GaAs 进行了近红外四波混频测量，以更详细地研究半导体中光生电子空穴 BCS 态的特性。四波混合是两种光波在材料中产生新光波的现象，通过观察所产生的光，可以研究材料中发生的现象。在这项研究中，我们成功构建了一个测量系统，通过结合高度单色的激发光和短脉冲宽度的探测光，可以在宽频带上观察超快的时间演化。使用该系统进行的实验结果表明，当样品受到光强烈激发时，会观察到与激发光频率分离的信号。使用太赫兹光谱评估激发密度并与之前的研究进行比较表明，该信号与电子空穴 BCS 态的形成有关。理论上，已经证实上述行为可以解释为称为激子的电子-空穴对转变为电子-空穴库珀对。这项研究可以说是开创性的，因为它采用了一种新的方法来证明长期以来一直是理论模型的电子-空穴BCS态，并进一步研究了它的性质。