第一原理計算で解き明かす原子核の姿
元素の源となる原子核は陽子と中性子から構成され、それらの間に作用する「核力」によって結合します。核力はπ中間子とよばれるミクロな粒子を陽子と中性子が交換することにより生じます。本研究では、この特徴を持つ核力が原子核の性質にどのような影響を与えるのか調べています。
半導体表面にフェムト秒レーザーを照射すると、サブピコ秒領域において電子や原子の様々な過渡現象が励起されます。過渡現象はテラヘルツ波放射や誘電率変調など多様な応答をもたらすことから、光機能デバイスへの応用の観点から注目を集めています。本研究室では、過渡現象と関連のある半導体表面状態を変化させる方法を開発し、さらに、独自の分光システムを整備することで、過渡現象ダイナミクスの解明とテラヘルツ波放射の制御を目指しています。
〇 研究の背景と目的
テラヘルツ波は、周波数が1テラヘルツ（波長0.3ミリ）前後の電磁波の呼称であり、光科学、センシング、バイオなど応用が広く検討されています。テラヘルツ波の発生には様々な方法がありますが、半導体結晶の超高速過渡現象を利用する方法は簡便さという点で高いアドバンテージがあります。また、超高速過渡現象の挙動（ダイナミクス）は結晶表面の電場に強く依存することから、その電場を変化させることでテラヘルツ波放射を制御することが可能となります。本研究室では、半導体に広く適用可能な表面電場の制御方法を開発しています。そして、超高速過渡現象のダイナミクスと表面電場との関係を独自の分光手法を用いて調査し、テラヘルツ波放射を幅広く制御することを目指しています。
〇 研究内容と特色
テラヘルツ波を放射する超高速過渡現象は、電子系および格子系の様々な相互作用により生じるものであり、ダイナミクスの解明には多面的な調査が必要不可欠です。そこで、2種類の超高速分光法（テラヘルツ波時間波形計測法, 時間分解ポンプ・プローブ計測法）を組み合わせた分光システムを開発して調査を行っています。また、表面電場の制御方法を開発するためには、試料の表面電場を評価する手段が必要です。そこで、半導体結晶の表面電場強度を精密に見積もることが可能な光変調反射分光システムを整備して活用しています。
〇 実験システムの一例
■テラヘルツ波時間波形計測システム
図1はテラヘルツ波時間波形計測システムの主要部分を撮影したものです。半導体試料から放射されるテラヘルツ波を放物面鏡を用いて集め、もう一方の放物面鏡によって電気光学結晶に照射させます。そして、テラヘルツ電場によって生じる電気光学結晶の屈折率変化を、近赤外光パルスを用いて検出します（挿入図は光パルスが電気光学結晶を通るようす）。
テラヘルツ波は水分子に強く吸収される性質があるため、精密な調査を行うためにはテラヘルツ波の経路中の水蒸気を取り除く（除湿する）必要があります。図2は、手作りの除湿ボックスです。図1に示した光学実験部品をボックス内に設置し、レーザー光はボックス側面に取り付けた光学窓から入射させます。そして、ボックス内部を乾燥空気で満たした後、テラヘルツ波を測定します。図3はテラヘルツ波時間波形の測定結果の一例です。
図1
図2
図3
■光変調反射分光システム
図4は光変調反射分光システムを撮影したものです。励起光は半導体レーザーで、メカニカルチョッパーを通して周期的な強度変調を与えます。診断光はランプ光源を分光器で単色化した微弱光です。励起光と診断光は、ミラーとレンズを用いて試料の同じ位置に照射します。ここで診断光の波長を変化させながら反射強度を測定すると、励起光の変調周波数に同期した成分が観測されます。この成分を波長ごとに（スペクトルとして）取得して解析することで、表面電場強度を見積もることできます。本研究室では、さらにもう一つの励起光（制御光）を導入し、光励起キャリアによる電場遮蔽効果を精密に調べています。
図4
〇 本研究はどのように役⽴つのか
本研究が達成すれば、発生するテラヘルツ波の周波数や強度を幅広く制御することができると考えています。この知見は、身の回りの道具として即座に実装されるものではありませんが、テラヘルツ波光源として様々なテラヘルツ波研究に貢献するものと期待されます。
また、本研究活動から創出された装置は、半導体に限らず多様な物質のテラヘルツ波研究に適用できるものです。他分野の研究者との共同研究を通じて、計測システムを広く役立たせることが可能です。
論文
「超高速過渡現象の調査にむけた光励起キャリア電場遮蔽効果の制御」(2023)『日本赤外線学会誌』32p.52-57.
「Electric field dependence of terahertz wave emission in temperature-controlled GaAs epitaxial films」(2022)『Applied Physics Express』15p.051001.
「Characteristics of terahertz wave emissions under the coexistence of different sub-picosecond transient phenomena in GaAs epitaxial films」(2021)『Applied Physics Express』14p.041005.
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