半導体超格子の室温テラヘルツ利得における動的電子相関の解明と制御

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昨年度の成果を踏まえて超格子構造の工夫を進め，電子と共に正孔（電子の抜け穴）の状態も考慮に入れて，波動関数の空間的局在度が異なる構造におけるテラヘルツ放射の性質を以下の通り明らかにした。さらに，試料表面へ外部共振器を加工する際の技術的な問題点にも対策を施した。直流電圧印加下で波動関数の局在度が高くなる超格子試料について，超短光パルス励起により作られる電子の三次元的なエネルギー分布が，ブロッホ振動にどのような影響を及ぼすかを詳細に明らかにした。従来，励起された瞬間から電子が積層方向の印加電圧を感じることになるこの過程は，印加電圧に対する電子のステップ応答と等価であるという見方に基づいて解析され，積層方向へブロッホ振動する電子の複素伝導度スペクトルを与えてきた。しかし，この見方において，電子の面内運動は明示的な形では考慮されていない。本研究では，励起直後の電子が積層方向と面内方向に（すなわち三次元的に）エネルギー分布を持つことを考慮し，その分布を光パルスの中心光子エネルギーにより幅広く変化させながら，テラヘルツ放射波形を測定・解析した。その結果，電子をミニバンドへ励起する上で中心光子エネルギーが不足気味および過剰気味である場合，面内の運動エネルギーはそれぞれ界面ラフネス散乱とフォノン散乱を介して，ブロッホ振動の緩和時間を短くすることが判明した。また，テラヘルツ利得に重要なブロッホ振動の初期位相には，影響を及ぼさないことが分かった。一方，ミニバンド間相互作用によって波動関数の局在度が低くなる超格子試料について，昨年度に観測されたブロッホ振動の特異な初期位相の背後にある，電子および正孔の状態をシミュレートした。その結果，低い直流電圧印加下では一個の正孔波動関数に対して数個の特定の電子波動関数が大きな重なりを持ち，光パルス励起のために重要であることが分かった。