Investigation of dynamics and controllability of optically injected valley carriers

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近年、半導体物性物理学分野では電荷に代わるスピンやバレーなどの量子自由度が新たに注目され、省電力化をめざした次世代デバイスが開発されつつある。特に、室温でも堅牢な量子状態を用いるバレートロ二クス研究をさらに加速させるため、バレー分極の制御方法の確立が強く求められている。本研究では、我々が近年有用性を示してきたナノ秒時間分解サイクロトロン共鳴法（TRCR法）を拡張し、光励起法によりバレー分極キャリアを注入したうえで、外場（電場）駆動および温度擾乱によるバレー分極のダイナミクスを明らかにし、その制御方法の基礎を確立することを目的とする。本研究では、高純度シリコン結晶試料（3 × 2 × 0.5 mm3）を用い、結晶の大きな面に垂直に電場印加するようにITO石英ガラス基板電極で挟み、マイクロ波の共振器内でDC電場を印加して、ITO電極越しに光照射しTRCR法を実施する。2021年度は、(011)面の大きな結晶を用いて電場下でのTRCR法によるバレーダイナミクスの研究をスタートし信号を取得するに至ったが、[001]軸方向に磁場を印加する配置では十分なサイクロトロンスペクトルの分解能を得られず、明瞭な解析はできなかった。そこで、2022年度は、(001)面を大きな面として持つ結晶を用いて、スペクトル分解の良い[011]軸へ磁場印加する配置を確立して、TRCR法による測定を行った。その結果、遅延時間ごとのスペクトル解析を電場印加に対して比較することが容易になり、電場印加により、異なるバレー（e1,e2）間の散乱が促進されること、散乱の促進によりキャリアの減衰が早くなること、励起波長に依存するバレー分極があることなどが判明しつつある。さらに、解析を進めることにより、より詳細なバレー分極の擾乱を明らかにすることが期待できる。