発表者 
赤井　亮太（伊藤研）

指導教官 
芦田　昌明

Title 
　Ultrafast excitation of an electron-hole plasma in GaAs studied by optical pump-THz probe spectroscopy

Abstract 
　The author of this paper had previously succeeded in developing ultrabroadband THz time-domain spectroscopy, a generation and detection of femtosecond pulses spectrally covering THz region. This region is a frequency range extending from 0.1 to 10THz. The THz time-domain spectroscopy has been studied actively in these ten years because a femtosecond laser became widely available. 
　Electrostatic coupling between particles is important in many microscopic phenomena found in nature. The interaction between two isolated point　charges is described by the bare Coulomb potential, but in many-body systems this interaction is modified as a result of the collective response of the screening cloud surrounding each charge carrier. One such system involves ultrafast interactions between quasi-free electrons in semiconductors. To investigate these ultrafast interactions, they have observed the build-up of Coulomb correlations and the formation of dressed quasi-particles in a photoexcited electron-hole plasma in GaAs. Experimental access to this observation is provided by optical pump-THz probe spectroscopy.
　They have applied ultrabroadband THz time-domain spectroscopy to it, and monitored directly the temporal evolution of an electron-hole plasma in GaAs. As a result, they have clarified Coulomb screening and plasmon scattering emerge on a timescale comparable to the order of the inverse plasma frequency (several 10fs). This result is a significant achievement in ultrafast spectroscopy.


概要 
　この論文の著者らは以前にフェムト秒パルスがTHz領域にわたるスペクトルを持つ超広帯域のTHz時間領域分光法を開発することに成功した。この領域は0.1THzから10THzに及ぶ周波数範囲である。THz時間領域分光はフェムト秒レーザーが広く普及したことによりここ10年間で盛んに研究されている。
　粒子間の静電気的な結合は自然界に見られる多くのミクロ的な現象を考える上で重要である。２つの孤立した点電荷の間の相互作用は裸のクーロンポテンシャルによって表される。しかし多粒子系の場合、このような相互作用は各電荷を取り巻く遮蔽電子雲の集団的な反応の結果修正される。このような系は半導体中での擬似自由電子間の超高速相互作用と深く関わっている。これらの超高速相互作用を調べるため、この論文の著者らはGaAs中で光により電子正孔プラズマを励起し、クーロン相互作用の発達と電荷の衣をきた擬似粒子の形成を観測した。実験的にこの観測をするためには光ポンプTHzプローブ分光を行う必要がある。
　彼らは超広帯域のTHz時間領域分光を光ポンプTHzプローブ分光に応用し、GaAs中で電子正孔プラズマの時間発展を直接観測した。その結果、クーロン遮蔽とプラズモンの散乱がプラズマ周波数（数十フェムト秒）の逆数のオーダーと同じ時間で起こっていることを明らかにした。この結果は、超高速分光における重要な成果である。

Reference 
　R.Huber et al. Nature. 414. (2001).