【研究分野】結晶工学

【研究領域課題番号】17H02773 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲルマニウム / 共鳴電子ラマン遷移 / 光利得 / 量子閉じ込め / バレー選択励起 / バレー間散乱 / 円偏光フェムト秒励起相関法 / Germanane / 共鳴電子ラマン散乱 / 誘導ラマン過程 / バンド間遷移 / バンド間遷移レーザー / 共鳴誘導ラマン過程 / 共鳴電子ラマン利得 / 非自明な誘導放出光発生機構 / スプリットオフ正孔 / 前方散乱ポンプ・プローブ測定 / フェムト秒円偏光蛍光相関測定 / 半導体物性 / 光物性 / 結晶工学 / 電子・電気材料 / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

CMOS集積回路の光インターコネクトや自動運転用センサなど広範囲の応用展開に向けてモノリシックⅣ族光機能集積素子が渇望されている。通信波長帯域に適合したⅣ族半導体光エミッタの実現は残された歴史的難題である。本研究では、ゲルマニウム(Ge)の電子ラマン遷移過程を利用した誘導放出光発生の新規方法論に関する物性研究を推進した。 (1)歪制御と励起条件最適化による共鳴電子ラマン発現条件の精査、(2)超高速分光による電子ラマン散乱ダイナミクス追跡、(3)低次元構造によるバンド構造制御、(4)歪Ge共振器構造設計と光利得機能実証の研究を通じて未踏の領域であるGeの電子ラマン介在光利得の実証を試みた。

【研究の社会的意義】

歪Geには疑似直接遷移化による顕著な光学特性・デバイス機能の向上が期待されている。しかし、現状、最も有力とされる本手法も必然的にバンドギャップ縮小を招き、その結果、意図しない中赤外領域へのエネルギーシフトが発生する。いきおいこれを克服することが喫緊の課題である。これに対して本研究は、未踏の新奇電子励起法を軸に高度光機能の発現に向けて非従来型の高機能構造の設計と戦略的な物性の制御を行うことでSWIR域におけるGeの光利得発現の実証を試みるものである。一方で単なる応用展開の模索にとどまることなく、Geの新しい光学特性や機能性は、新奇な半導体光物性の学理探求の契機となることが期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】結晶工学

【研究領域課題番号】17H01056 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子センシング / 結晶工学 / 格子欠陥 / 半導体物性 / 光物性 / 放射線 / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

本研究では、炭化ケイ素（SiC）中の単一光子源（SPS）の発光やスピン特性を明らかにするとともに、それらSPSの状態制御技術の開発を目的に、a)SPSをSiCデバイス内の任意位置に導入する技術を開発し、光検出磁気共鳴（ODMR）を用いたSPSのスピン制御及びそれを応用した磁場センシングの実証、b)電圧印加や電流注入といったデバイス動作がSPSの発光やスピン特性といった量子状態に及ぼす影響を明らかにすることで、デバイス動作によるSPSの量子状態制御の基盤技術の構築、c)窒素-空孔（NcVsi）や表面SPSの形成条件や物性及び量子状態に関する情報を得た。

【研究の社会的意義】

量子コンピューティング、量子暗号通信技術や量子センシングといった量子技術の実用化には、安定・確実に動作する演算子（量子ビット）や量子センサの開発が不可欠である。本研究では、結晶成長技術やデバイス作製技術が確立しつつある炭化ケイ素（SiC）半導体に着目し、SiCを母材とした単一光子源（SPS）に関する研究を推進した。イオン照射技術等を駆使することで位置制御可能なSPS形成技術を開発したこと、形成したSPSのスピンや光学特性を明らかにしたこと、更には、SPSをSiCデバイス中に導入し、デバイス動作によるSPSの量子状態制御を実証したことは、将来の量子デバイスの開発に向けて大いに意義がある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円)

【研究分野】光工学・光量子科学

【研究領域課題番号】15K13375 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

応用光学・量子光光学 / 量子エレクトロニクス / 高性能レーザー / 光物性 / テラヘルツ／赤外材料・素子、天然ガス / テラヘルツ/赤外材料・素子、天然ガス

【研究成果の概要】

赤外域の広帯域光パラメトリック増幅器において、三次分散を利用した二波長増幅手法を提案・実証し、波長の異なる二つのパルスを発生させた。この出力をLGS結晶に集光することによって、波長５～１０ミクロン帯をカバーする位相安定な中赤外光パルス発生を実現した。得られたパルスを集光することによって、最大電場強度56 MV/cmを達成した。また、中赤外パルスの時間波形と同期した6.5フェムト秒の超短パルスを用いることにより、中赤外パルスの電場波形を直接、電気光学的に測定することにも成功した。これらの成果は、アト秒領域の超高速光科学の研究対象を、気相の原子分子から固体へと広げる上で重要な成果である。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】24656045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子エレクトロニクス / 応用光学・量子光工学 / 光物性

【研究成果の概要】

中赤外光は様々な分子振動モードと共鳴するため、分子構造を知り、さらにはそれを制御するツールとして高い潜在性をもつ。そのため、中赤外波長域で光電場を顕著に増強する技術が確立すれば、高分子の立体構造を解析できる分光計測技術や分子反応を自在に制御できる技術などにつながると期待できる。こうした応用を見据え、本研究では、中赤外光を共鳴的に増強する金属ナノ構造とその周波数応答特性、さらには、ナノメートルスケールでの近接場の空間分布を、理論・実験両面から明らかにした。さらには、理論解析によって増強近接場の時間波形を解析し，近接場の電場波形を制御する上での自由度を明らかにした．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】23686013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子エレクトロニクス / 応用光学・量子光工学 / 超高速現象 / 光物性

【研究成果の概要】

赤外光は分子振動運動を共鳴的かつ選択的に駆動するツールとして優れる。本研究では、中赤外超短パルスとその波形整形技術を利用して分子の運動そして反応を駆動する技術の開発を目指した。その結果、(1)中赤外光の波形整形によって分子振動の大振幅化が可能であることを理論・実験両面から明らかにし、(2)大振幅振動を実現する最適波形を理論的に設計し、さらに(3)振動遷移における量子力学的な経路間干渉の操作に成功した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】27,560千円 (直接経費: 21,200千円、間接経費: 6,360千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】23226003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アト秒科学 / 光源技術 / 光・量子ビーム / 超高速分光 / 軟X線分光 / 超精密計測 / 非線形光学 / 赤外材料・素子 / 応用光学・量子光学 / 量子エレクトロニクス / X線 / アト秒光学 / 光物性 / アト秒光科学 / 原子・分子物理 / 高性能レーザー / テラヘルツ／赤外材料・素子 / テラヘルツ/赤外材料・素子 / 量子ビーム / 放射線、X線、粒子線

【研究成果の概要】

BIBO結晶を用いた光パラメトリックチャープパルス増幅法に基づく高強度極短パルス赤外光源を開発した。得られた出力は、繰り返し1kHz、パルスエネルギー1.5mJ、パルス幅11fs、キャリアエンベロープ位相(CE位相)安定というものであり、世界的にも先端的な光源を実現した。本光源を用いた高次高調波発生実験では、高調波の最大光子エネルギーは325eVに到達した。CE位相敏感な軟X線スペクトルの振る舞いから、250～325eVにおいて孤立アト秒パルスが発生していることが示された。炭素系物質の吸収スペクトル測定にも成功し、アト秒軟X線吸収分光が可能であることが実験的に示された。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】145,340千円 (直接経費: 111,800千円、間接経費: 33,540千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】20224006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物件 / 物性実験 / 量子エレクトロニクス / 低温物性 / 励起子

【研究成果の概要】

本研究の目的は半導体の電子正孔系および励起子系を対象に、精緻なレーザー分光手法を駆使した実験と、電子相関を取り入れた理論研究を密接に連携させ、量子多体系としての物質相とその集団励起および量子秩序形成ダイナミクスについて実験(東大)と理論(阪大)を連携させて研究を進めることであった。以下に研究項目別の成果をまとめる。
1.準熱平衡励起子系の相図解明:(東大)ヘリウム3冷凍機を用いて、励起光照射下においても0.3K台の低温を確保した上で、亜酸化銅結晶におけるパラ励起子を3次元歪トラップに蓄積することで量子多体系の性質が顕在化する励起子BEC相境界近傍まで到達した。トラップからの微弱発光の高感度検出による発光イメージ法を確立し、量子カスケードレーザーを用いたCWライマン分光法による定量評価法を開発した。(阪大)準熱平衡相図を決定するために、高密度弱結合領域から低密度強結合領域までを統一的に記述できる動的平均場理論を開発した。連続模型による解析手法と長距離クーロン相互作用の取り入れ方を検討し、隣接サイト間相互作用を扱う手法を開発し数値計算を行った。
2.量子縮退しか励起子系の集団励起とそのコヒーレンスの検出:(東大)亜酸化銅パラ励起子のAuger係数の値とその温度依存性を決定し、低温で非弾性衝突が発散する量子力学的特徴を示すことを見出した。(阪大):励起子間有効相互作用のボゾン化理論を再考して、励起子気体相での光学応答の自己無撞着理論を構築し、光学応答の数値計算を進めた。半導体ブロッホ方程式理論との違いを解明した。
3.電子正孔系の量子秩序形成の動的理論(阪大):低次元系での多励起子状態における励起子間Auger散乱断面積を数値的に評価した。低温での「量子散乱領域」の理論研究を開始した。東大グループの実験結果との比較を行った。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2008

【配分額】38,480千円 (直接経費: 29,600千円、間接経費: 8,880千円)