[論文レビュー] Terahertz-Radiation-Induced Exciton Shelving and Intra-Excitonic Scattering

William Rice, S. Zybell+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2012

Terahertz technology and applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、高品質な半導体量子井戸において、テラヘルツパルスが1s〜2p励起子遷移を共鳴的に励起し、1s励起子発光が一時的に抑制されることを示している。1s〜2s遷移は電気ダーブル非許容であるが、Coulomb散乱を介した2pおよび2s状態の混合により、多体効果を介した有効なテラヘルツ誘発1s〜2s遷移が可能となり、2s発光が強く増幅される。

ABSTRACT

We use terahertz pulses to induce resonant transitions between the eigenstates of optically generated exciton populations in a high-quality semiconductor quantum-well sample. Monitoring the excitonic photoluminescence, we observe transient quenching of the $1s$ exciton emission, which we attribute to the terahertz-induced $1s$-to-$2p$ excitation. Simultaneously, a pronounced enhancement of the $2s$-exciton emission is observed, despite the $1s$-to-$2s$ transition being dipole forbidden. A microscopic many-body theory explains the experimental observations as a Coulomb-scattering mixing of the 2$s$ and 2$p$ states, yielding an effective terahertz transition between the 1$s$ and 2$s$ populations.

研究の動機と目的

• 高品質な半導体量子井戸系における励起子状態間のテラヘルツ誘発共鳴遷移を調査すること。
• 1s〜2s遷移が電気ダーブル非許容であるにもかかわらず、2s励起子発光が予期せず増幅される理由を説明すること。
• 多体系Coulomb相互作用が、もともと許可されていない励起子状態間の有効な遷移を可能にする役割を理解すること。
• 観測された一時的な発光抑制および増幅を説明する微視的多体系理論を構築すること。

提案手法

• 光学的励起により生成された励起子集団の1s〜2p遷移を共鳴的に励起する超短パルステラヘルツを適用する。
• 1sおよび2s発光強度の時間分解測定により、一時的な変化を検出する。
• 2sおよび2p励起子状態間のCoulomb散乱をモデル化するための微視的多体系理論の使用。
• 中間状態としての2p状態を介した、1sおよび2s状態間の有効なテラヘルツ遷移行列要素の理論的導出。
• 励起子多体系効果が、もともと電気ダーブル非許容な遷移を媒介する役割を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テラヘルツ照射が半導体量子井戸における1sおよび2s励起子発光に与える影響は何か？
• RQ2 1s〜2s遷移が電気ダーブル非許容であるにもかかわらず、なぜ2s励起子発光が増幅されるのか？
• RQ3 テラヘルツ励起下で、有効な1s〜2s遷移を可能にする微視的メカニズムは何か？
• RQ4 多体系Coulomb相互作用は、2sおよび2p励起子状態間の遷移をどのように媒介するか？

主な発見

• テラヘルツパルスは、1s〜2p共鳴励起に起因して、1s励起子発光が一時的に抑制されることを誘発する。
• 1s〜2s遷移が電気ダーブル非許容であるにもかかわらず、2s励起子発光が顕著に増幅されることを観測した。
• 増幅は、Coulomb散乱を介した2pおよび2s状態の混合に起因し、中間状態としての2p状態を通じた1sおよび2s集団間の有効なテラヘルツ遷移を可能にする。
• 微視的多体系理論は、中間状態としての2p状態を介した1sおよび2s状態間の有効遷移行列要素を導出することで、実験的観察をうまく説明している。