ブルーダイヤモンドの謎を解く―アクセプタに束縛された励起子のスピン・軌道自由度の役割―

　高橋伸弥 理学研究科博士課程学生、久保佳希 同修士課程学生（研究当時）、小西一貴 同博士課程学生（研究当時）、中暢子 同教授らの研究グループは、Julien Barjon フランス・パリ・サクレ大学（Paris-Saclay University）教授、Riadh Issaoui フランス・ソルボンヌ・パリ・ノール大学（Sorbonne Paris North University）助教（研究当時）との共同研究により、ダイヤモンドの光吸収スペクトルをこれまでにない高い精度で取得し、アクセプタに束縛された励起子の微細構造におけるスピン軌道相互作用の効果を明らかにしました。

　電子は自転のようなスピンのほかに、公転のような軌道の自由度を持ちます。半導体に光を照射することで生成される、電子と正孔の対である励起子は、これらの自由度が複雑に絡み合った粒子系の相互作用を調べる格好の舞台です。しかし、実験的な難しさにより、ダイヤモンドの励起子に対するスピン軌道相互作用の効果については20年以上にわたって一致した理解が得られず、長く謎のままでした。

　本研究グループは、ホウ素がアクセプタとして添加された青色ダイヤモンド中の束縛励起子の微細構造を光吸収によって観測することで、従来の発光測定におけるエネルギー分解能の限界を打破しました。理論計算との比較を行い、半導体中のアクセプタ束縛励起子におけるスピン軌道相互作用の大きさを決定することに初めて成功しました。この成果は、長年の論争に終止符を打つとともに、次世代材料として注目されるダイヤモンド、窒化物、二次元物質を含む半導体の基礎物性の理解に大きく貢献します。

　本研究成果は、2024年2月26日に、国際学術誌「Physical Review Letters」にオンライン掲載されました。