東大ら,半導体に新しい量子状態をレーザーで生成

東京大学と米プリンストン大学の研究グループは,半導体中にレーザー光を照射することで,新しい量子状態が生成されることを初めて実証した(ニュースリリース)。

半導体に適当な波長の光を照射すると,結晶を構成する原子に束縛されていた価電子はエネルギーを得て結晶中を動き回れるようになる。同時に,電子の抜け穴は正の電荷を持った粒子として振る舞う正孔となる。

電子と正孔は電気的な力で引き付けあうため,密度が低ければ互いに束縛しあって励起子と呼ばれる電気的に中性の粒子を作る。しかし,密度が高くなると励起子同士はぶつかり合ってイオン化してしまい,バラバラになった電子と正孔は自由に結晶中を動くようになり,全体として金属のような性質を示す。

通常の半導体レーザーもこのような電子と正孔の振る舞いに基づいて動作している。ところが,こうした高密度の電子と正孔の集団の温度を下げていくと,イオン化してしまうはずの電子と正孔が再びペアを作り,量子力学的な絶縁体状態になることが理論的に予想されていた。

この現象は,金属を冷やすと電子同士がクーパー対というペアを組んで超伝導状態になるのと非常によく似ており,電子二個のペアの代わりに電子と正孔のペアができる点が異なる。このため,超伝導の基礎理論の名前をとって,電子正孔BCS状態と呼ばれているが,この状態の明確な実証はされていない。

この状態を作るためには十分に温度を下げることが必要だが,光を半導体に照射して電子と正孔をつくると温度が上昇してしまい,低温に到達することが困難だった。

研究グループはレーザー光の波長を制御して,5K(-268℃)に冷やした半導体ヒ化ガリウム中に励起子だけの状態を狙い撃ちして生成し,その密度を増やすという手法でこの問題に取り組んだ。そして,レーザー光の強度を上げていくと,励起子の集団に代わって電子正孔BCS状態が実現することを明らかにした。

これはレーザー光が電子と正孔を結び付ける糊の役目を果たし,本来ならイオン化してしまうような高密度領域でもペア形成を促進したと考えられるという。

電子正孔BCS状態は超伝導と同じような状態だが,その担い手は電気的に中性な電子と正孔のペアなので,電荷は運ばない。しかし,電子正孔ペアは光子からそのエネルギーを受け取っている。したがって,超伝導のクーパー対のように電子正孔ペアが結晶中を摩擦なく動くことができれば,摩擦のないエネルギーの流れが期待できる。

研究グループは今回新しい量子状態を実現したことにより,半導体に光を照射した際にできる電子状態の理解が進むだけでなく,さまざまな物質における量子現象をより深く理解する鍵になることが期待されるとしている。

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