フォノンスペクトロスコピーとは、熱ゆらぎに起因するサーマルフォノンの音速・吸収を広い周波数域にわたって測定することにより物質の動的な物性を調べる方法である。フォノンスペクトロスコピーには動的光散乱法であるブリュアン散乱法を用いる。このため機械的に音波を励振することが不要となり、非接触測定を行うことが可能となる。ブリュアン散乱光からサーマルフォノンの情報を精度よく得るためには10⁹以上という高い周波数分解能の分光法が必要とされる。

　近年になってブリュアン散乱測定に使われるようになった光ビート分光法は、これまで光学的に行われてきた散乱光の分光を電気的な機器で行うため、分解能は電気機器の特性で決めることができ、従来にくらべて1000倍以上の高い周波数分解能を得ることが可能となる。

　光ビート分光法を用いるとき問題点となるのは光検出器の周波数応答性と感度である。光ビート信号はミキシングするローカル光と散乱光の振幅の積に応じて大きくなる。このため実験にはダイナミックレンジのとれるアバランシェフォトダイオードを光検出器として用いた。図1に基本的な実験装置図を示す。入射光と散乱光は試料中でクロスし、入射光によって散乱された散乱光とローカル光とは散乱点から完全に同一な経路をたどりフォトダイオードへと導かれる。このため安定した光ビート系を構成することができる。フォトダイオード上で光ビート信号は電気信号に変換される。ビート信号はローカル光によって生ずるショットノイズ成分に比べ、10^-6程度の強度しかない。そのためビート信号をスペクトラムアナライザで周波数分析したのち、その中間周波数を自乗検波し、ロックイン検出する。以下このような実験系を光ビート分光ブリュアン散乱装置と呼ぶ。

図1 光ビートブリュアン散乱装置

　本研究ではまずこの光ビート分光ブリュアン散乱装置について光学系の最適化を行い、広帯域化と高感度化をめざした。その結果、従来の帯域ほぼ倍の〜2GHzにすることに成功した。液体二硫化炭素の高周波スペクトルの例を図2に示す。また高感度化によってこれまで測定が難しかった固体の高分解能スペクトルを測定することが可能となった。

　アクリル(PMMA)は高分子の絡み合いによって安定したガラス状態を保っている。しかしその内部状態は分子鎖の内部自由度が一般的な低分子ガラスに比べて非常に大きいものと予想される。図3にPMMAで得られたサーマルフォノンのスペクトルを示す。これは光ビート分光ブリュアン散乱法によって初めて得られた固体の高分解能スペクトルである。このような高い分解能の測定ではピーク幅の測定からフォノンの減衰を調べることができる。図4にサーマルフォノンの減衰を示した。白丸は超音波パルスエコー法による測定である。高分子に特有の非常に広い周波数域にわたる緩和現象が測定された。

図表図2 二硫化炭素のブリュアンスペクトル / 図3 PMMA中のフォノンスペクトル / 図4 PMMA中のフォノン減衰。

　これまでのブリュアン散乱測定はその実験、理論ともに平衡状態で測定することが条件となっていた。近年になって定常ずり場下、定常熱流下などの非平衡系における理論研究や実験が行われるようになった。これらの測定では長い相関長を持つサーマルフォノンを調べることが必要であり、高周波数分解能が必要とされる。我々はそのもっとも簡単な例として定常熱流下でのサーマルフォノンの振る舞いを計測した。熱流下ではサーマルフォノンは熱流と結合し、そのフォノンのスペクトルは非対称になることが理論的に予想され実験的検証も行われている。この非対称は相関長の長い低周波数フォノンほど顕著になることが予想される。これまでのファブリー・ペローによる実験ではスペクトルの中心に大きな迷光によるノイズがあり測定の妨げとなっていた。

　光ビートブリュアン散乱法による測定ではこの迷光による影響を完全に排除した計測が可能である。その結果を図5に示す。はサーマルフォノンのストークス、アンチストークス成分の非対称を表すパラメータである。我々の解釈によって壁面でのサーマルフォノンの反射、不均一温度勾配下での温度分布などの影響を簡単に見積もることが可能となり、実験値をよく説明することを示した。これらの結果から熱流下でのブリュアン散乱スペクトルには非対称が現れることを確認した。

　サーマルフォノンがその自らの相関長よりも小さな場所に閉じこめられるとサーマルフォノンの干渉が起こる。その中で観測を行うとサーマルフォノンの共鳴現象を見ることができるのではないだろうか?

　まず平行キャビティ内に閉じこめられたサーマルフォノンの測定を行った。キャビティの間隔は880mである。このような小さな系における光散乱測定ではセル表面で反射した光が直接ディテクタに入射するため、通常の強度変調方式ではスペクトルにゆがみが生ずる。このため新たに偏光変調ロックイン方式を開発し測定に用いた。キャビティ内で得られたスペクトルにはほぼ700kHz間隔で共鳴ピークがある(図6)。従来、ブリュアン散乱測定では波数は散乱角によって決められていたため、低角散乱になると波数の決定精度が悪くなる。ところがこのような共鳴スペクトルではピークの現れる波数はキャビティの構造によって決めることができるため、低角散乱における新しい波数決定法として非常に有効であると考えられる。またこれまで音波を励振することが難しかったキャピラリー中の径方向のサーマルフォノンも測定することが可能になった。その測定例を図7に示す。このときひとつひとつのピークの幅はほぼ40kHzである。これまでの波数決定法の限界であったレーザーの回折広がりに起因する周波数広がりは約1MHzであり、この影響を排してフォノン減衰の測定が行えることを実験的に検証した。

図表図5 ブリュアン非対称 / 図6 平行キャビティ内のフォノンの共鳴曲線 / 図7 キャピラリー内のフォノンの共鳴曲線

　本研究では光ビート分光法をブリュアン散乱測定に用い、帯域が5〜2000MHzの超高分解能フォノン・スペクトロスコピーを確立した。このフォノンスペクトロスコピーによって、サーマルフォノンでしか測ることのできない熱的非平衡系における異方的なフォノン伝搬やサーマルフォノン共鳴現象などを観察し、物質中のフォノン伝搬に関する新たな知見を得た。