Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

励起子 / コヒーレントフォノン / ベイズ推定 / 仮想計測解析 / スパースモデリング / X線光電子スペクトル / 放射光計測 / 光物性 / スペクトル分解 / ベイズ分光 / データ駆動科学 / マテリアルズインフォマティクス / 極限測定

固体光学スペクトルの解析にベイズ推定を適用し、物理モデルの統計的妥当性と、パラメータの統計的分布を評価する方法論を確立し、以下の対象に適用した。
(1)亜酸化銅励起子系やタイプII超格子系の高密度電子・正孔・励起子共存系の光学スペクトル解析にベイズ分光法を適用し、励起子トラップポンテシャルの形成と、電子正孔液滴状態の安定化の統計的確証を得た。(2)格子振動ダイナミクスのベイズ分光では、フーリエ変換と比べ2桁高精度な周波数推定と初期位相の推定ができることを示した。更に(3)ベイズ分光法を用いて、スペクトルの均一幅と不均一幅の識別や、振動性波形におけるベイズ推定のノイズ耐性について明らかにした。

光物性 / 励起子

光物性物理における数十年の懸案であった励起子ボースアインシュタイン凝縮について、実現、その性質についての解明を目指す実験を進めた。希釈冷凍機を用いた極低温実験において、励起子の1s-2p遷移を用いた誘導吸収測定(Lyman分光)を従来の発光測定と両立する系を実現した。両立した測定により、強励起時の励起子の空間分布の変化を取得すると共に強励起時の発光の特異な振る舞いを解析し、さらに従来凝縮体生成の障害になってきた非弾性散乱の散乱係数を測定した。また、吸収イメージングを用いた時間分解測定をすることに成功し、強励起時の励起子の空間ダイナミクスを得ることができるようになった。

光物性 / 励起子 / 光電子分光

100 mK台の温度において希釈冷凍機への熱線の流入を抑え、中赤外誘導吸収分光を実現し、バルク励起子のボース凝縮を捉えることに成功した。時空間分解発光分光から、極低温下の励起子冷却過程、輸送等の物理を解明した。
高品質ダイヤモンド単結晶において、時間分解紫外発光と中赤外誘導吸収の時間相関分光法を開発し、電子正孔液滴のキャリア密度を評価することに成功した。飛行時間型角度分解光電子分光法を用いて、高収率かつ高分解能での光励起状態計測を可能とするレーザー光電子分光法を開発した。同型の装置では世界最高水準のエネルギー分解能を実現し、半導体やトポロジカル絶縁体の光励起状態の高感度高精度検出を実現した。

極低温領域における精密分光、時間分解分光、吸収分光の開拓に挑戦し、半導体中の高密度電子正孔系が作り出す基底状態、協働現象、動的特性について新たな知見を得た。これにより、バルク半導体での励起子ボース凝縮を直接可視化することに成功し、60年以上の懸案に明確な結論を与えた。また従来の測定法に比べ極めて高収率な光電子分光装置を立ち上げ、高エネルギー分解能測定を実現した。光励起された電子のエネルギーと運動量のダイナミクスを高感度直接観測でき、固体が光励起により示す様々な機能について、電子系の振る舞いを通じて理解する新規手法を得たことは、物理学に限らず光化学など幅広い分野にとって有意義な成果である。

励起子 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 吸収イメージング / 周波数コム / 光物性 / 高密度励起現象 / レーザー分光

励起子ライマン分光法を用いて、歪誘起トラップ中にトラップされた亜酸化銅中の1sパラ励起子の世界初の吸収イメージングに、励起子温度7Kにおいて成功した。また、励起子内部遷移の共鳴エネルギーの印加応力依存性を理論的に計算可能とし、実験結果との対応付けを行った。また、この中赤外分光法を希釈冷凍機に対して適用する実験系を完成させ、100mK台の量子縮退パラ励起子の吸収イメージングを取得することに成功した。さらに、2台のフェムト秒モード同期チタンサファイアレーザーを構築し、超高精度な光周波数コムとして完成させることで、固体の精密分光の実現への道筋をつけた。

光物件 / 物性実験 / 量子エレクトロニクス / 低温物性 / 励起子

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。

【研究連携者】
岡田真人	東京大学	大学院新領域創成科学研究科	教授	(Kakenデータベース)
岩満一功	熊本大学	理学部	教室系技術職員	(Kakenデータベース)
中山正昭	大阪市立大学	大学院工学研究科	教授	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
相原慎吾
濱本真由美
有嶋駿士郎
切通愛莉沙
山代哲也

【研究分担者】
吉岡孝高	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	准教授	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
森田悠介
小西邦昭
嵐田雄介

【研究分担者】
小川哲生	大阪大学	大学院・理学研究科	教授	(Kakenデータベース)