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。

当半导体用强光照射时，大量的电子和孔会激发，导致电流流动。即使在如此高密度的电子孔等离子体中，电子和孔之间也应用了库仑的吸引力，并且人们认为在低温下，会形成电子孔库珀对，以使电子库珀对被量子机械绑定的电子孔库珀对隔离。该状态称为电子孔BCS状态，但很长一段时间没有被证明，因为光激发后很难充分冷却样品。但是，去年的这项研究表明，通过用特定波长的强激光束照射冷却样品，它可以暂时创建电子孔BCS状态。 BCS状态被认为是一种普遍现象，不仅出现在半导体中，而且在原子质气体和天体物理学中也出现，预计阐明其性质将为我们对基本物理学（例如量子力学和统计力学）等基本物理学的理解提供深入的了解。因此，今年，为了进一步研究了在半导体中光诱导的电子孔的特性，对散装GAA进行了近红外的四波混合测量。四波混合是一种现象，其中两个光波在材料中产生新的光波，并且通过观察产生的光，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，该系统将高度单色激发光与脉冲宽度短相结合，从而可以在广泛的频带中观察到超快速的时间演变。由于使用该系统的实验，当样品强烈传出样品时，信号从激发光的频率中分解。使用Terahertz光谱法评估激发密度并与以前的研究进行比较表明，该信号与电子孔BCS状态的形成有关。已经证实，上述行为可以看作是一种称为激子的电子孔对变成电子孔库珀对的方式。可以说这项研究是一项开创性的研究，该研究表明了电子孔BCS状态，该州长期以来一直在理论模型中使用了新方法，并且还研究了其特性。