超高速電子が予期せぬ光信号を明らかにする(Ultrafast electrons reveal unexpected optical signal)

2026-09-03 スタンフォード大学

スタンフォード大学とSLAC国立加速器研究所の研究チームは、高エネルギー電子を半導体に照射し、その直後に超高速レーザーパルスで光学応答を測定することで、従来想定されていなかった強い超高速光信号を観測した。通常、電離放射線の検出ではシンチレータなどを用いるが、強い信号は遅く、速い信号は弱いというトレードオフがある。研究ではMeV-UED装置を利用し、II-VI族半導体に高エネルギー電子を注入して、電離直後の光学特性を調べた。その結果、生成した電子・正孔対は均一に分布せず局所的な高密度領域を形成し、それによって半導体のバンドギャップが大きく変化し、光の吸収・透過特性が変化することが判明した。この強く高速な光応答は、放射線のリアルタイム検出や高性能センシングに利用できる可能性があり、将来的にはPETなどの医療画像診断やリアルタイム疾病モニタリングへの応用が期待される。

<関連情報>

半導体中のメガ電子ボルト電子による強力な超高速非線形光学応答 Strong ultrafast nonlinear optical response from megaelectronvolt electrons in semiconductors

D. Jeong,T. R. Hopper,Y. Kim,X. Shen,P. L. Kramer,M. C. Hoffmann,R. Coffee,M. Fejer,A. M. Lindenberg & C. S. Levin
Nature Photonics  Published:20 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-026-01894-3

超高速電子が予期せぬ光信号を明らかにする(Ultrafast electrons reveal unexpected optical signal)

Abstract

Understanding radiation–matter interactions on ultrafast timescales is essential for radiation detection technologies, particularly those requiring precise timing, such as plasma monitoring, synchrotron diagnostics and medical imaging. However, the detection of highly ionizing radiation is challenging due to the stochastic nature of the interactions, resulting in dispersed energy deposition. Here we show a nonlinear optical response in semiconductors induced by 150-fs, 4.2-MeV electrons that generate highly localized charge carriers. The induced sub-10-ps optical modulation reached up to 24.5%, accompanied by a blueshift in the absorption edge consistent with band filling and carrier densities of 1018 cm−3. These carrier densities are 100-fold higher than expected from the deposited energy, indicating the extreme spatial localization of carriers at inelastic collisions along the ionization trajectories, thereby leading to the observed modulation. The strong nonlinearity of the MeV-electron-induced optical response enables the precise spatiotemporal detection of ionizing radiation at room temperature using common semiconductors and laser systems.

0403電子応用
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