京大ら,フォノンを真空量子揺らぎと結合して変調

京都大学の研究グループは,スプリットリング型共振器によってテラヘルツ周波数帯の電磁波(電磁場)の真空量子揺らぎとハライドペロブスカイト半導体中のフォノン(格子振動)を強く結合させることにより,フォノンの周波数を大きく変調できることを発見した(ニュースリリース)。

原子や半導体などにおける電子系はそのエネルギー差に共鳴するコヒーレントな光と相互作用し,光の衣を纏うことでエネルギーが分裂した新しい状態(ドレスト状態)を形成することが知られている。

このとき観測される周波数(エネルギー)分裂はラビ分裂と呼ばれ,物質と相互作用する電磁場がゼロ点振動場(いわゆる真空)である場合は特に「真空ラビ分裂」と呼ばれる。通常,真空との相互作用は極めて微弱なため真空ラビ分裂は観測されないが,光共振器を用いて相互作用する電磁場を増強するとこのようなエネルギーの分裂(強結合状態)が観測される。

この手法は原子や固体中の電子準位の制御に適用されてきたが,テラヘルツ周波数帯に位置する固体中のフォノンは電磁波との結合の強さの指標である双極子モーメントが小さく,強い結合状態の実現が難しいことが知られていた。

フォノンと電子系との相互作用が強い固体材料では,光の量子揺らぎによる物質中のフォノン駆動を引き起こすことができれば,レーザーなどの強い外部光源を用いることなく物性を制御でき,新たなデバイス開発にもつながることが期待される。

研究は,CH3NH3PbI3(ハライドペロブスカイト)において,1THz付近の低いエネルギー領域にフォノンモードが存在することに着目。このフォノンモードとスプリットリング型光共振器内の電磁波を強く結合させ,フォノンの真空ラビ分裂をテラヘルツ分光によって調べた。

金で作製したスプリットリング型共振器の一部をナノサイズ化することにより,真空中の量子揺らぎがもたらす電磁波の電場成分が600倍に増強され,これによってフォノンの共鳴周波数が分裂する真空ラビ分裂を観測することに成功した。この真空ラビ分裂の周波数幅に比例する結合定数ηは0.24に達し,超強結合状態を示すことを世界で初めて明らかにした。

研究グループは,今回の光の量子揺らぎにより物質中のフォノンを操作する技術は,固体物性の新たな制御法を提示し,全く新しい光電子デバイス開発につながるものだとしている。

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