Ｔ型量子細線における励起子-プラズマクロスオーバー（現状のまとめ） 2006軽井沢合同討論会　@上智大セミナーハウス(2006/11/3-5) Ｔ型量子細線における励起子-プラズマクロスオーバー（現状のまとめ） 東大物性研　秋山研 吉田正裕 Outline: はじめに Ｔ型量子細線構造と顕微発光計測 細線発光・吸収のキャリア密度依存性 多体理論との比較 現状まとめと今後の展開 これまでに得られている実験結果を再度報告して、 今後の方向性を探る

はじめに 本研究の目的 量子細線における擬１次元電子正孔系の高密度励起、多体効果の解明 高品質量子細線の発光・吸収測定により、電子正孔系の低密度励起子状態から高密度状態への移り変わりの様子をみる。 一次元における励起子-プラズマMott転移描像の妥当性を検討。 量子細線レーザーの発振起源の解明。 励起子-プラズマモット転移 励起子 電子正孔プラズマ 横軸と縦軸をきちんと出すことが重要 縦軸　高品質化　　エネルギー分解できるように 横軸　キャリア密度の見積もり，キャリア密度分布による影響の除去 励起子発光ピークの振る舞い バンド端の測定 バンド端 エネルギー 励起子エネルギー 密度 e-h低密度 (d >> aB) 高密度 (d << aB) Haug et al, Prog. Quant. Electr. (1984) 　 関連： 　次元性の効果　---　3、2、0次元系との比較 　量子細線レーザーの発振メカニズム 　ドープ量子細線での１次元電子（or正孔）系の多体効果

T型量子細線構造 へき開再成長MBE法＋成長中断アニール法 高品質なＴ型量子細線の形成 発光線幅 < 1.3 meV Ｔ細線部分の拡大図 成長中断 アニール へき開 高品質なＴ型量子細線の形成 発光線幅　 < 1.3 meV 空間均一性　> 20 um << EBx (～14 meV)

顕微発光測定系 顕微計測＋スペクトログラフ法 キャリア拡散の影響を除去 （キャリア空間分布）

細線発光の空間-波長分解発光像 分光器入射スリット上に発光像を結像させ、分散された発光スペクトルをイメージモードで測定。 励起spot 位置 励起強度 拡散による細線方向へ のキャリア分布の広がり 細線方向 細線がスリットに平行となるように配置

発光スペクトルの光励起強度（電子正孔密度）依存性 n1D = 1.2 x 106 cm-1　(rs = 0.7 aB) Electron-hole Plasma n1D = 6 x 105 cm-1 (rs = 1.3 aB) Density continuous evolution broadening n1D = 1 x 105 cm-1 (rs = 8 aB) Biexciton+Exciton EB =2.8meV キャリア分布の均一性（拡散の効果の除去） キャリア密度の同定 n1D = 4 x 103 cm-1 (rs = 200 aB) 単一量子細線 Free Exciton n1D ~ 102 cm-1 aB ~13nm M. Yoshita et al. PRB 74, 165332 (2006).

発光強度、ピーク位置、線幅の電子正孔密度依存性 crossover 領域 PL強度 ピーク位置 線幅 crossover領域 線幅のブロードニング 励起子ピークの消失 プラズマ発光への連続的な移り変わり

励起子とプラズマ状態からのバンド端発光 (T=30K) プラズマ発光 励起子分子位置より出現 バンド端（プラズマ発光の低エネルギー端）のレッドシフト 励起子発光 励起子基底、励起状態、バンド端とも、エネルギーシフトを示さない。 キャリア密度とともに消失 励起子エネルギーとバンド端との交差が見られない。 バンド端が不連続である。 ▼ ▼ 計算での励起子連続状態位置

多体理論計算との比較 多体理論計算： T wire構造: 7nm x 7nm infinite barrier Eb = 18.2 meV by Wang and Das Sarma, 　　 PRB (2001). T wire構造: 7nm x 7nm 　 infinite barrier Eb = 18.2 meV バンド端 励起子位置 グリーン関数法により、線形吸収スペクトルを計算 バンド端　交換相互作用 　　　　　自己エネルギー＋クーロンホール 励起子　変分計算 スクリーニングの近似の違い

多体理論計算との比較 多体理論計算： T wire構造: 7nm x 7nm infinite barrier Eb = 18.2 meV by Wang and Das Sarma, 　　 PRB (2001). T wire構造: 7nm x 7nm 　 infinite barrier Eb = 18.2 meV バンド端 励起子位置 バンド端シフト　　理論と合わない 励起子分子（スピンの効果） ただ、気になる点 横軸 多体理論　準粒子(quasi particle)密度 我々の実験　全電子正孔密度 励起子の占有（populationは？）をどう取り込む？

(Hayamizu et al. submitted.) 吸収利得＆発光スペクトルの 電子正孔密度依存性 （20周期量子細線） Photoluminescence (arb. units) (Absorption (cm-1) （単一量子細線） （細線1本当り） 利得が発生する密度＝3x105cm-1 励起子分子による利得 Point excitation (Hayamizu et al. submitted.) （細線1本当り） 利得が発生する密度＝3x105cm-1 利得ピーク値vs密度係数 ～ 1cm-1 / 1x105cm-1

現状のまとめ 高品質Ｔ型量子細線における1次元電子正孔系の多体効果を発光、吸収・利得測定により調べてきている。 今後の展開： 自由励起子から電子正孔プラズマへは、励起子分子を介してクロスオーバー的に移り変わる。 励起子バンド端とプラズマバンド端とは交差しない。むしろ、共存している状態がある。 量子細線レーザーの利得は、はじめ励起子分子に起因してキャリア密度3x105cm-1で発生する。高密度領域では電子正孔プラズマからの利得へと移り変わる。 励起子Mott転移の描像では説明できない。 今後の展開： 発光,線型吸収・利得スペクトルの温度依存性をまとめる。 多体理論計算（Huaiさん理論, 他）との比較 Ｔ細線レーザー発振の温度特性との相関 透過、時間分解、非線形光学効果，応答 発光,（線型）吸収・利得スペクトルの温度依存性をまとめる 多体理論計算（Huaiさん理論, 他）との比較 Ｔ細線レーザー発振の温度特性との相関 細線励起子発光における励起子と励起子相関の影響 透過、時間分解、非線形光学効果，応答

20周期量子細線レーザーの吸収利得スペクトル 発振閾値以下 （温度依存性） 温度上昇 利得ピーク幅→大 最大利得→小 温度120K (発振せず) 　細線の利得→小 　Arm wellの利得→大 　　(キャリア分布の影響） Hayamizu et al., (unpublished)