高強度テラヘルツＳＴＭによるナノ空間超高速物性制御

• Project/Area Number: 17J05234
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 吉岡 克将 横浜国立大学, 工学府, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: テラヘルツ / 走査型トンネル顕微鏡 / 超高速分光 / ナノフォトニクス / ナノエレクトロニクス

Outline of Annual Research Achievements

前年度までに、大気中下での高強度テラヘルツSTMを完成させ、自在に波形の制御されたTHz近接場を利用して数十フェムト秒の時間分解能かつ1 ナノメートルの空間分解能で電子や物質を制御する手法を見出した。しかしながら、大気中下では試料表面に酸化膜が形成されてしまうため、金やグラファイトといった限られた試料でしか実験ができなかった。そこで、新たに超高真空STMを導入することで、あらゆる導電性試料での実験を可能にした。加えて、安定性とS/N比が格段に向上したため、原子分解能で試料表面を観察することが可能になった。新しい系での最初の実験として、相変化材料であるGeSbTeのナノスケール相変化誘起に取り組んだ。この物質は、DVDなどの可逆記録メディアに利用されており、探針で増強された近接場を使って超高速で相転移を引き起こすことができれば、これまでの限界を上回る超高速かつ超微細な情報記録が可能になると期待される。実際に、第一段階として近赤外のフェムト秒パルスを使って結晶相からアモルファス相への超高速相転移をナノスケールで誘起することに成功した。探針直下において相変化前後で試料形状が変化しただけでなく、バンドギャップが変化していることを走査トンネル分光法により確認した。この逆過程であるアモルファス相から結晶相への相転移は高強度テラヘルツ波を用いて引き起こせると考えられるが、実験条件の追い込みが必要な段階である。
また、テラヘルツSTMの時間分解能を向上させ、励起状態のダイナミクスを動画として直接捉えるために、新たな光源開発を行った。この光源は、パルス幅が30フェムト秒より短いサブサイクルパルスを4 MHzの繰り返し周波数で発生させることができるため、テラヘルツSTMの可能性を格段に高めるものになると強く期待される。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Rice University/Argonne National Laboratories/Purdue University(米国)
• [Journal Article] Tailoring Single-Cycle Near-Field in a Tunnel Junction with Carrier-Envelope Phase-Controlled Terahertz Electric Fields (2018)
  • Author(s): K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, H. Takahashi, and J. Takeda
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 18 Issue: 8 Pages: 5198-5204
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02161
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simultaneous Acquisition of Complex Transmittance and Birefringence with Two Counter-Rotating Circularly Polarized THz Pules (2018)
  • Author(s): Y. Kawada, K. Yoshioka, Y. Arashida, I. Katayama, J. Takeda, and H. Takahashi
  • Journal Title: Opt. Exp. Volume: 26 Issue: 23 Pages: 30420-30434
  • DOI: 10.1364/oe.26.030420
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanoscale electron manipulation in metals with intense THz electric fields (2018)
  • Author(s): Takeda Jun、Yoshioka Katsumasa、Minami Yasuo、Katayama Ikufumi
  • Journal Title: J. Phys. D: Appl. Phys. Volume: 51 Issue: 10 Pages: 103001-103001
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aaa8c7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vacuum Bloch?Siegert shift in Landau polaritons with ultra-high cooperativity (2018)
  • Author(s): Li Xinwei、Bamba Motoaki、Zhang Qi、Fallahi Saeed、Gardner Geoff C.、Gao Weilu、Lou Minhan、Yoshioka Katsumasa、Manfra Michael J.、Kono Junichiro
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: - Issue: 6 Pages: 324-329
  • DOI: 10.1038/s41566-018-0153-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coherent Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Carrier-Envelope Phase Controlled THz Electric Fields (2017)
  • Author(s): Yoshioka Katsumasa、Katayama Ikufumi、Arashida Yusuke、Minami Yasuo、Kitajima Masahiro、Yoshida Shoji、Shigekawa Hidemi、Takeda Jun
  • Journal Title: Nonlinear Optics OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017) Volume: － Pages: NW2A.3-NW2A.3
  • DOI: 10.1364/nlo.2017.nw2a.3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高強度テラヘルツ波によるナノ空間電子制御 (2017)
  • Author(s): 武田淳、片山郁文、吉岡克将
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 52 Pages: 439-446
  • NAID: 40021305737
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 位相制御THz-STMによるトンネル電子のナノ空間超高速サブサイクル制御（受賞記念講演） (2019)
  • Author(s): 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴篤彦、河田陽一、小西邦昭、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体 Bi1-xSbx におけるテラヘルツ磁気光学応答 (2019)
  • Author(s): 吉岡克将、Xinwei, Li、萩原俊雄、田岡裕貴、嵐田雄介、Orjan S. Handegard、片山郁文、長尾忠昭、河野淳一郎、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Sub-cycle Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Phase-controlled Single-cycle THz Near-fields (2018)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Yusuke Arashida, Atsuhiko Ban, Yoichi Kawada, Hironori Takahashi, and Jun Takeda
  • Organizer: 21st International Conference on Ultrafast Phenomena (UP2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ Tailoring of Single-cycle Near Field in a Tunnel Junction Using Phase-controlled THz-STM”, 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces (2018)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Yusuke Arashida, Atsuhiko Ban, Yoichi Kawada, Kuniaki Konishi, Hironori Takahashi, and Jun Takeda
  • Organizer: Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14) in conjunction with 26th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM26)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 位相制御THz-STMによるトンネル電子の超高速コヒーレント制御 (2018)
  • Author(s): 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴篤彦、河田陽一、小西邦昭、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 新学術領域「ハイブリッド量子科学」第7回領域会議
• [Presentation] 単一トンネル接合における THz近接場を用いたサブサイクル電子制御 (2018)
  • Author(s): 吉岡克将、伴篤彦、片山郁文、嵐田雄介、河田陽一、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Coherent Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Carrier-Envelope Phase Controlled THz Electric Fields (2017)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Yusuke Arashida, Yasuo Minami, Masahiro Kitajima, Shoji Yoshida, Hidemi Shigekawa, and Jun Takeda
  • Organizer: 2017 Nonlinear Optics (2017 NLO)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sub-cycle THz control of electrons in a tunnel junction with a carrier-envelope phase shifter (2017)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Atsuhiko Ban, Yusuke Arashida, Yoichi Kawada, Hironori Takahashi, and Jun Takeda
  • Organizer: 8th International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano 8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sub-cycle control of THz near-field and electrons in a single tunnel junction (2017)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Atsuhiko Ban, Yusuke Arashida, Yoichi Kawada, Hironori Takahashi, and Jun Takeda
  • Organizer: Gordon Research Conference and Seminar (GRC/S) Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キャリアエンベロープ位相制御テラヘルツパルスによるトンネリング電子制御 (2017)
  • Author(s): 伴篤彦、吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、河田陽一、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 単一トンネル接合における THz近接場の制御 (2017)
  • Author(s): 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴篤彦、河田陽一、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 第28回光物性研究会
• [Patent(Industrial Property Rights)] トンネル電流制御装置およびトンネル電流制御方法 (2017)
  • Inventor(s): 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Holder: 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-160104
  • Filing Date: 2017
• [Patent(Industrial Property Rights)] トンネル電流制御装置およびトンネル電流制御方法 (2017)
  • Inventor(s): 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Holder: 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-160107
  • Filing Date: 2017