広島大ら,黒リンの電子のたたき上げを初めて観測

広島大学,東京大学,兵庫県立大学らの研究グループは,世界最高エネルギー分解能を有する時間・角度分解光電子分光装置を用いることで,近赤外光パルスを黒リンに照射することで電子がたたき上げられ,その状態がナノ秒に迫る長い持続時間を示すことを世界で初めて明らかにした(ニュースリリース)。

グラフェンは,みかけの質量がゼロであるディラック電子を有する点で基礎・応用の観点から世界中で研究が展開されてきた。グラフェン中のディラック電子は不純物や欠陥があっても「動き続ける」性質がある。その結果,グラフェンは室温付近であっても高い電子移動度を示す。しかしながら,グラフェンにはバンドギャップが存在しないため,信号のオン・オフ比を大きくすることが難しく応用に課題を残していた。

このような中,黒リンはディラック電子の要素を持ちつつ,バンドギャップが存在するため,次世代電解効果トランジスタ等への応用が期待されている。さらに黒リンのバンドギャップの大きさはちょうど赤外域(約0.3電子ボルト)となるため,赤外レーザーへの応用や光通信デバイスへの応用が期待されている。

研究では,黒リンが赤外レーザーや光通信デバイスへの応用に実際に適した材料であるかどうかを知るために,光吸収により生じた伝導電子を直接観測し,「電子のたたき上げの発生」また「その持続時間」について明らかにすることを目的とした。なお,通常の金属では照射した光は反射され,電子のたたき上げはなかなか起きず,起きたとしても,その持続は長くても数ピコ秒程度であることが知られている。

従来の角度分解光電子分光(ARPES)はこの研究で注目する伝導帯の観測には向いていない。そこで研究グループは,ポンプ・プローブ法を利用した時間・角度分解光電子分光(TARPES)により,光吸収により伝導帯にたたき上げられた(励起された)電子とその超高速キャリアダイナミクスを詳細に調べた。

その結果,黒リンは光パルス照射で価電子帯の電子が伝導帯にたたき上げられ,それが長時間持続することが明らかとなった。強い光で励起した場合には,それ以上吸収が起こらず,逆に光を透過させる「可飽和光吸収」が起こりやすくなるため,レーザーの短パルス化や,高速光通信を可能にする光スイッチへの応用が期待される。

また,黒リンは層の数が減少するにつれ,バンドギャップが可視領域まで大きくなることが知られていることから,黒リンを用いて広い波長範囲をカバーするレーザーや光通信の応用へも大いに期待が高まるという。

さらに,光吸収により生まれた伝導電子とその抜け穴に相当する正孔(ホール)とが結合して一つの粒子として振る舞う励起子が知られているが,黒リンのような異方的な伝導電子を持つ物質では,その励起子が特殊な条件下でボーズ・アインシュタイン凝縮を起こしマクロな波動関数を形成する現象も期待できるとしている。

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