発表者

赤井亮太（伊藤研）

指導教官

芦田 昌明

Title

Ultrafast Dynamics of Delocalized and Localized Electrons in Carbon Nanotubes

Abstract

　　Single-wall carbon nanotubes (NTs) consist of rolled-up hexagonal sheets of carbon atoms where the tube diameter and chirality determine whether the tube is semiconducting or purely metallic. Semiconducting　NTs are classified into two types: with small energy gap (10meV range) or large energy gap (1eV range). THz waves are very sensitive to low-energy excitations (1THz=4.1meV) such as free carriers or small energy gaps in NTs.
　 The authors of this paper have applied THz time-domain spectroscopy (TDS), which directly gives us complex dielectric constant of a sample, to optical pump-THz probe measurement and monitored ultrafast charge carrier dynamics in NTs. As a result, they have found the absence of a distinct free-carrier response is caused by the photoexcitation of strongly bound excitons with large energy gaps and pump-induced transmission increase　below 15THz originates from blocked optical transitions in small-gap tubes. Moreover, their data of the transient dichroism has displayed the coexistence of spatially delocalized and localized carriers.

概要

　単層カーボンナノチューブ（NTs）は、炭素原子からなる六員環シートを巻いた円筒状の形をしており、チューブの半径とキラリティーによりチューブの性質が半導体性か金属性かに決まる。半導体性NTsは小さいエネルギーギャップ（10meV程度）と大きいエネルギーギャップ（1eV程度）を持った二つのタイプに分類される。THz波はNTsの自由キャリアや小さいエネルギーギャップのような低エネルギー励起（1THz=4.1meV）に対して非常に感度が良い。。
　この論文の著者は試料の複素誘電率を直接得ることのできるTHz時間領域分光法（TDS）を光ポンプTHzプローブ測定に応用し、NTs中での超高速のキャリアダイナミクスを観測した。その結果、はっきりとした自由キャリアの反応が観測されなかったのは大きいエネルギーギャップ間で強束縛励起子が光励起されたためであり、ポンプ光励起により15THz以下の光が透過しやすくなったのは小さいギャップチューブにおける光遷移が妨げられたことが原因であることが分かった。さらに過渡的な二色性のデータは空間的に非局在化したキャリアと局在化したキャリアが共存していることを示した。

Reference

L.perfetti, et al., Phys. Rev. Lett. 96, 027401 (2006).