励起子とは
半導体を励起すると、電子が価電子帯から伝導帯に移動する。価電子帯には電子が抜けた後の欠陥がプラスの電荷を持ち、準粒子として扱うことができる。この準粒子を正孔またはホールと呼ぶ。正孔は伝導帯の電子とクーロン力で結びつき、一定の距離を保ったまま物質内を動き回る。そのため、この電子-正孔のペアは一つの粒子としてみなすことができる。この粒子を励起子と呼ぶ。励起子には2つの種類があり、電子-正孔の半径が10-100Å程度の結晶中に広がるほど大きなものをモット-ワニエ(Mott-Wannier)励起子、半径が1-10Å程度の分子内に収まるような小さな励起子をフレンケル(Frenkel)励起子と呼ぶ(図1)。Mott-Wannier励起子は主に無機半導体中の励起子を表しており、Frenkel励起子は主に分子性結晶中での電子励起状態を表していると考えることができる。
図1. Mott-Wannier励起子とFrenkel励起子
励起子ポラリトン Exciton-polariton
励起子ポラリトンとは、光のエネルギー状態と励起子のエネルギー状態が結合した結果生じる準粒子である。光は波動方程式によって波として記述することができる。また、ド・ブロイ波の概念より、励起子も波として記述することができる。波は重ね合わせることが可能となるため、この重ね合わさった状態を、励起子ポラリトンという新たな物質の状態としてとらえることができる。励起子ポラリトンが形成されると、光のエネルギー準位と励起子のエネルギー準位が結合し、エネルギーが分子軌道のように2つの状態に分裂する(図2)。エネルギーが高いものをアッパーポラリトン(Upper Polariton, UP)、低いものをロウワーポラリトン(Lower Polariton, LP)と呼び、両者のエネルギー差(hΩ)をラビ分裂(Rabi splitting)と呼ぶ。この現象により、本来の物質が持つ準位構造を変化させることができる。
図2. 励起子ポラリトンのエネルギー準位図
励起子ポラリトンの発生
2枚のミラーを向かい合わせにしたキャビティ（共振器とも呼ぶ）構造を用いると、光を閉じ込めることができる。このときミラーの距離を入射光の波長の整数倍/2の長さにすることで、光が何度も往復して干渉し、定在波となる (図3)。このキャビティに閉じ込められた光子をキャビティ光子と呼び、離散的なエネルギー準位が形成される。
図3. 定在波ができる過程
キャビティの中に発光効率の良い半導体などを入れ、光を入射することで電子が励起され、正孔と結びついて励起子を形成する。この励起子の吸収ピークと定在波のピーク（キャビティモードと呼ぶ）が一致するようにキャビティの幅を調整することで、励起子がエネルギーを光子として放出した瞬間に定在波によって再度励起されるという現象が発生する。また、半導体から放出された光子はキャビティ内を往復するため、放出された光子が再度半導体に吸収される。この状況は、光と励起子の間でエネルギーが共有されているとみなせる。この状態を強結合状態と呼び、生成される混成状態を励起子ポラリトンという準粒子として扱う。
励起子ポラリトンの性質と応用
励起子ポラリトン状態では、物質と光の状態が混ざったような物性を確認することができる。具体的には、物質由来のスピンの情報をもちあわせた偏光を示す一方、光由来の超高速かつ超軽量な性質を持つ。また、分子間のエネルギーの授受において、エネルギーを受容する分子をポラリトン状態にし、エネルギーを供与する分子のエネルギーに近い準位を新たに形成することで、分子間の軌道の相互作用が大きくなり、高効率なエネルギー輸送ができるとされている。この現象を用いることで、高効率なエネルギー変換を叶える太陽電池の開発などに応用できるのではないかとの期待が高まっている。
参考文献
Skolnick, M. S.; Fisher, T. A.; Whittaker, D. M., Semicond. Sci.Technol. 1998, 13, 645-669.
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