半導体電子正孔ＢＣＳ状態の巨大な光応答の探求

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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。