OIST,「暗い励起子」を直接観察

沖縄科学技術大学院大学は「暗い励起子」と呼ばれる粒子を世界で初めて直接観察し測定することに成功した(ニューリリース)。

励起子のエネルギー状態に関する情報を明らかにするためには,半導体材料によって吸収,反射,または放出される光の波長を測定する方法が用いられる。しかし,この手法で調べられるのはごく一部の性質しかない。

光との相互作用で調べることができるのは明るい励起子と呼ばれる励起子だが,励起子には「運動量禁制な暗い励起子」など,その他のタイプの励起子も存在する。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。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つことも意味する。

暗い励起子を世界で初めて視覚化するために,研究グループは,これまで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た。具体的には,十分高エネルギーの光子をも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することができる。したがって,明るい励起子と暗い励起子を見ることができるのみならず,区別することもできる。

この新たな技術を実装するためには,励起子を分解して電子を材料から取り出すことができ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が必要だった。さらに,励起子は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する必要もあった。さらに,この機器には,ミクロンスケールの2D半導体サンプルを測定できる空間分解能も必要だった。

こうした技術的課題を解決した結果,事前の予測通り,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した。そして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わかった。

研究グループは,この技術が暗い励起子の世界初の観測を実現し,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たな時代をもたらすとしている。

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