暗い励起子の直接観察に成功――視覚化の実現は世界で初めて OIST

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沖縄科学技術大学院大学(OIST)は2020年12月4日、暗い励起子と呼ばれる粒子を直接観察し、測定することに世界で初めて成功したと発表した。

半導体材料内の電子が光でより高いエネルギー状態に励起されると、電子が以前に存在していたエネルギーレベルには正孔が出来る。正孔と反対の負電荷をもつ電子が引き付けられ正孔と結合することで励起子が形成される。通常の半導体中では、励起子は生成後数十億分の1秒以内に消滅し、壊れやすいので研究や制御が難しい。

しかし、励起子がより長く存在できる2次元半導体(遷移金属ダイカルコゲナイド)が10年ほど前に発見された。丈夫な励起子はこの新物質に画期的な性質を与えるので、この物質はオプトエレクトロニクス素子の材料として世界中で研究が進んでいる。しかし現時点では、励起子の測定に使用される標準的な実験手法には大きな制約がある。励起子のエネルギー状態に関する情報を明らかにするには光学的手法が用いられ、半導体材料によって吸収、反射、放出される光の波長を測定するが、光学的手法で調べられるのはごく一部の性質に限られる。

光との相互作用で調べられるのは明るい励起子と呼ばれるタイプの励起子だけで、運動量禁制な暗い励起子など、その他のタイプの励起子は調べられない。この暗い励起子では、電子は結合している正孔とは異なる運動量を持っているため、光を吸収できない。なお、これは暗い励起子を形成している電子が明るい励起子の電子とは異なる運動量を持っていることを意味する。

今回、研究者らは、一体の非束縛電子の研究でのみ使用されてきた強力な手法を用いて暗い励起子の視覚化に成功した。十分高エネルギーの光子を持つ光線を半導体物質中の励起子に当て、光子のエネルギーによって励起子を分解して電子を半導体から取り出す手法を考案した。電子が物質から飛び出す方向を測定することで、電子が励起子の一部であったときの初期運動量を決定でき、明るい励起子と暗い励起子を観測するのみならず、区別もできる。

しかし、この新たな技術の実装には、多くの技術開発が必要だった。励起子を分解して電子を材料から取り出せるエネルギーを持つ極端紫外光パルスを生成し、飛び出してきた電子のエネルギーと角度を測定する装置の開発が必要だった。そして、励起子が非常に短命であるため、機器は1兆分の1秒未満のタイムスケールで動作せねばならなかった。また、ミクロンスケールの2D半導体サンプルを測定するのに十分な空間分解能も必要だった。

研究では、装置を完成させ、事前の予測通りに半導体物質中に明るい励起子と暗い励起子の両方が存在することを発見するだけでなく、暗い励起子のほうが明るい励起子よりも数が多く、物質の性質を支配していることも発見した。さらに、特定の条件下で励起された電子が物質全体に散乱して運動量が変化すると、励起子が明るい状態と暗い状態の間を行き来するケースがあることも明らかにした。この画期的な技術は、暗い励起子を観測し、その特性を明らかにしただけでなく、励起子や他の励起状態の研究に新時代をもたらすことが期待できる。

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