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超短パルスレーザーに誘起された特異な格子振動パターンの理論的予見 ~半導体におけるプラズモンと格子の超高速共鳴相互作用の解明~

2017/09/21

筑波大学数理物質系 日野健一教授、長谷宗明教授、数理物質科学研究科大学院 渡辺陽平(D3)、計算科学研究センター 前島展也講師は、半導体シリコンに高強度超短パルスレーザーを照射した直後におけるプラズモンと縦光学フォノンの共鳴効果がもたらす特異な量子ダイナミックスと当該系におけるラビ振動の効果を理論的に予見することに成功しました。

本研究では、超短光パルスによって高密度励起されたキャリアと縦光学フォノンが結合して、過渡的な複合量子状態であるポーラロニック準粒子が形成されるというモデルを構築しました。これに基づき、プラズモンとフォノンの両モードがエネルギー的に共鳴して強い相互作用を起こすことによって、コヒーレントフォノンの時間シグナルに特異な振動パターンが発現することを見出しました。さらに、その振幅と位相が、パルス電場の強さに対応するラビ周波数に同期して周期的に振動することを明らかにしました。

図  当該系量子ダイナミックスにおける相互作用の模式図。フェムト秒パルスレーザーを半導体結晶に照射することで、レーザー・電子相互作用によって電子系(プラズモン、電子・正孔個別励起)が誘起される。さらに、誘起された電子系がフォノン(格子振動)と相互作用することによって、コヒーレントフォノンが励起される。

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