研究課題別研究評価

研究課題名：フェムトの時間域で電子を操作する

研究者名：　小森　和弘

研究のねらい：
　本研究は、フェムト秒(10-15 s)時間域で動作可能な超高速光・電子素子の実現に向けて、新しい動作原理として超高速コヒーレント現象の光位相制御（コヒーレント制御）を取り上げ、半導体中のキャリアを超高速光制御する為の基盤技術の確立を目指した。その為に、新しい動作原理に適した素子構造の提案とコヒーレント現象の人工操作法に関する提案を行った。また、実際に基礎実験を通してフェムト秒時間域での半導体中のキャリアの超高速人工操作を試みた。
研究結果及び自己評価：
◆結果および自己評価
1) 　半導体中のコヒーレント現象を利用する超高速光・電子素子の為の半導体量子構造の構成法とコヒーレント現象の人工操作法についての提案を行い、数値解析を通してその理論的な検討を行った。（特許登録1～3、論文7）
　これまで原子、分子系では励起電子のコヒーレントな重ね合わせ状態を利用して、人工的な局在電子の形成に関する提案と実験の報告例はあったが、デバイスに応用可能な半導体結合ナノ構造を用いて人工的な準位を形成し、その重ね合せ状態を利用して半導体中での局在電子を任意に操るという提案は本研究が初めてであると考えられる。その実現の為には半導体結合ナノ構造の形成技術と超高速光制御・計測技術という２つの極限技術が必要とされた為、その提案内容を実現する為の基礎技術確立と初期動作実証までは達成したが、提案内容すべての達成には至らなかった。提案内容の完全な実現の為には、今後の研究の進展が望まれる。
　その他、本研究の過程で、提案した超高速人工操作法が固体量子計算素子に応用できる可能性があることが明らかになった。今後、本研究の提案内容は、結合ナノ構造中での電荷状態制御を利用した固体量子計算研究への展開が期待される。
2) 　半導体結合ナノ構造の作製法を開発し、コヒーレント現象の制御に利用可能な人工的な多準位電子系の形成技術を確立した。（論文1, 2, 4, 5） 量子井戸構造では、発光線幅が非常に狭く（～1 meV）位相緩和時間の長い結合量子井戸構造が作製可能になった。また、量子力学的に結合した量子細線構造の形成法を開発して、その結合準位の分裂を観測したのは本研究が初であり、室温で結合準位分裂が見えるほど極微細で強結合な細線構造は他に報告例がない。その発光線幅から推定した位相緩和時間は、量子井戸に比べて10倍程度長く光位相制御には適していると予想されたが、量子細線密度の向上、不均一性の改善または不均一性の影響のない計測環境の実現等、超高速光制御のためには幾つかの課題があった。量子井戸構造に関してはキャリア（励起子）の超高速人工操作の初期動作を達成できたが、量子細線構造に関してはキャリアの超高速人工操作には至っていない。今後、不均一広がりの影響を除去する為に、微小領域超高速光計測装置を開発して、量子細線中の励起子の超高速光制御実験を行うことが課題である。
3) 　光パルスシンセサイジング法を用いた位相同期パルス列の形成法を開発し、位相誤差が小さく安定した位相同期パルス列の形成が可能になった。（論文3、6） さらに、位相同期パルス列の光位相安定性を改善する為に位相制御系を含んだ装置を開発したところ、従来法（マイケルソン干渉計等）を用いた時間軸上でパルス列を形成する系に比べて１桁以上の光位相安定性があることが明らかになった。この光位相の安定したパルス列発生技術を用いることによって初めて４）の多連パルスによる励起子の制御が可能になったと考えられる。ただし、任意のパルス列形成は、周波数軸上での液晶位相振幅変調器の分解能（ピクセル数）によって制限されることから、より複雑なキャリアの人工操作の為には、より高い周波数分解能を有する光パルスシンセサイジング装置の開発が課題である。
4) 　位相同期超短光パルス列を制御光として用いた半導体結合量子構造中のコヒーレントキャリア（励起子）のフェムト秒時間域での人工操作の実験に成功し、本提案の有効性を実証した。また、疑似4準位系（3重結合量子構造）での局在電子の電荷振動に伴うテラヘルツ電磁波の発生に成功した。（論文6, 7, 8, 9, 10, 論文投稿中1件）
　従来のマイケルソン干渉計を利用した光位相制御の報告例を含めても、多連位相同期光パルスを用いて励起子の密度と分極の双方を制御したのは、本研究が初めてであると考えられる。一方、多準位系での局在電子の制御については3準位系までの超高速人工操作が可能になった。しかし、4準位以上の系では量子振動に伴うテラヘルツ電磁波の観測は可能になったが、その人工操作までは達成できなかった。　
　本提案内容で述べている励起子密度や電荷振動の任意の制御を行なうためには、3）で述べた位相安定化、周波数軸上での分解能の改善の他に、材料の位相緩和時間の増加と位相緩和時間よりも十分短い時間域での超高速人工操作が課題であり、その為には、高品質な半導体結合量子細線、箱構造の開発や微小領域超高速光計測技術の開発、数10フェムト秒クラスの超高速光制御技術の開発を含めた今後の研究の進展が望まれる。

◆今後の展開
1) 半導体多重結合量子井戸構造中での局在電子の人工操作とその応用
　これまでに開発した光位相制御技術を用いて多重結合量子構造での局在電子の超高速人工操作を行うことによって、任意のテラヘルツ電磁波発生や100フェムト秒以下の時間域での超高速光制御の実証実験を行う。
2) 半導体結合量子細線構造中での局在励起子の人工操作とその応用
　不均一広がりの影響を除去する為に微小領域超高速光計測装置を開発して、量子ナノ（細線）構造中の局在励起子の超高速人工操作のでデモンストレーションを行う。さらに、それを発展させて結合ナノ構造中での電荷状態制御を利用した固体量子計算研究への展開を試みる。
領域総括の見解：
　良質の結合細線作製の成功の上に局在電子の制御および結合準位の分裂の観察など著しい成果を得ている。光位相制御についても独自の手法により位相同期パルスの形成を可能にした。得られた成果に基づく発展が更に期待できる。
主な論文等：
1) K.Komori, M.Arakawa, Electron states in crescent shaped GaAs coupled quantum-wires Jpn. J. of Appl. Phys, Part.1, No.3, pp.1927-1932, (Mar.1997)
2) K.Komori, X.L.Wang, M.Ogura, and H.Matsuhata, Observation of exciton　states in GaAs coupled quantum wires on a V-grooved substrate, Appl. Phys.Lett., Vol.71, No.23, pp.3350-3352, (Dec. 1997)
3) K.Takasago, M.Takekawa, M.Suzuki, K.Komori, and F.Kannari, Evaluation of　femtosecond pulse shaping with low-loss phase only masks, IEEE Journal of　selected topics in quantum electronics, Vol.4, No.2, pp.346-352,　(Mar/April. 1998)
4) K.Komori, F.Sasaki, X.L.Wang, M.Ougra, and H.Matsuhata, Barrier　thickness dependence of optical properties in GaAs coupled quantum wires,　Solid State Electron., Vol. 42, No.7-8, pp.1211-1216, (July/August 1998)
5) K.Komori, X.L.Wang, M.Ogura, H.Matsuhata, and A.Hamoudi, Subband　structurea of GaAs coupled quantum wires on V-grooved substrate, IST. phys. conf. series,1997 IEEE International Symposium on Coumpound Semiconductor, 97TH8272, pp. 557, (1998)
6) K.Komori, T.Asahara, T.Sugaya, M.Watanabe, and T.Hidaka, "Coherent Control of Excitons in Quantum Well Structure by Pulse Shaping Technique", Conference Proceedings of LEOS'98 (11th annual meeting ) IEEE catalog Number: 98CH36243, Vol.2 pp.59-60 (Dec.1998)
7) K. Komori, T. Asahara, T. Sugaya, M. Watanabe, and T. Hidaka　"Coherent control of excitons in single and coupled quantum wells" SPIE Proceedings of Ultrafast Phenomena in Semiconductor 3, Volume 3624, pp.159-166, Jan.1999
8) I.Morohashi, K.Komori, T.Sugaya, and T.Hidaka, "Generation of THz electromagnetic wave from semiconductor multi-coupled quantum well", Procedings of 7th IEEE Inter. conf. on Terahertz Electronics TH'99, pp.149-152,Nov.1999
9) K.Komori, T.Sugaya, M.Watanabe, "Ultrafst manipulation of coherent excitons using ultrashort pulse sequences prepared by frequency domain shaping", Proceedings of Ultrafast Phenomena in Semiconductor 4, Volume 3940,Jan.2000
10) K.Komori, T.Sugaya, M.Watanabe, T. Hidaka, "Ultrafast coherent control of excitons using pulse shaping technique", Jpn. J. of Appl. Phys.,Vol.39,No.4,April 2000
他口頭発表（国際会議12件、国内会議26件）

(特許、受賞、招待講演)：
◆特許　外国1件、国内2件
1) 米国特許US5,937,118、KOMORI, " Quantum Synthesizer", 1999年8月10日特許登録（工技院）
2) 特許第2890030号、小森和弘、「量子ビート素子」平成11年2月26日特許登録（工技院）
3) 特許第2890034号、小森和弘、「量子合成素子」平成11年2月26日特許登録（工技院）

◆招待講演　外国１件、国内１件
1) K. Komori, "Ultrafast manipulation of coherent excitons using ultrashort　pulse sequences prepared by frequency domain shaping", Photonics　West/Optoelectronics 2000, Ultrafast phenomena in semiconductors 4, 3940-05　invited talk, San Jose, CA, USA, Jan 27th, 2000.
2) 小森和弘、「半導体量子井戸中のコヒーレント励起子の超高速光制御」電子情報　通信学会　第４回フェムト秒光エレクトロニクス研究会　招待講演　東京大学生産技術研究所　（平成11年9月14日）

This page updated on March 30, 2000

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