テラヘルツ電場パルスによる相関電子系分子性固体の超高速相転移

• Project/Area Number: 17J06487
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山川 大路 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(PD)
• 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: テラヘルツパルス / 分子性固体 / 光誘起相転移 / 超高速レーザー分光 / テラヘルツ光

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、有機分子からなる結晶（分子性固体）を対象として、高強度テラヘルツ電場パルスの照射によって誘起される電子状態制御の研究に取り組んだ。テラヘルツパルスとは、1 THz(=1012 Hz)程度の周波数を持つ電磁波であり、光波と電波の中間の周波数帯域に位置する光である。フェムト秒パルスレーザー技術の発展に伴い、テラヘルツパルスの発生技術が向上しており、100 kV/cmを超える電場振幅を持つテラヘルツパルスを発生させることが可能になっている。このような高強度テラヘルツパルスにより、分極や磁化などの固体の物性を高速に制御する研究が盛んに行われている。しかし、テラヘルツパルスの光子エネルギーは4 meVと非常に小さいため、テラヘルツパルスによって固体の電子状態の変化、すなわち相転移を起こした例はほとんどない。テラヘルツパルスによる相転移が実現できれば、高効率かつ高速に動作する光スイッチングデバイスや、無秩序相を秩序相へと転換するなどの新奇な光機能を実現できる可能性がある。本研究では、テラヘルツパルスを分子性固体の一種であるκ型ET塩の常誘電相に照射することで、巨視的な分極の生成、さらには強誘電電荷秩序相への転移を引き起こすことを目指した。
テラヘルツパルスをポンプ、フェムト秒パルスをプローブとする測定を行い、テラヘルツパルスによるκ型ET塩の電子状態の変化を時間分解で測定した。その結果、電場によって超分子内に電荷の偏りが誘起され、それが巨視的に安定化することにより、強誘電電荷秩序相への転移が起こることがわかった。さらに磁気状態の異なる二種類の物質における測定結果を比較することで、電荷秩序が磁気的な相互作用によっても安定化されていることがわかった。これらの成果は、分子性固体の光機能性を開拓するとともに、その誘電性、磁性などの物性について新しい知見を与えるものである。

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

• [Journal Article] テラヘルツパルス光による超高速絶縁体―金属転移 (2019)
  • Author(s): 山川大路、宮本辰也、岡本博
  • Journal Title: 応用物理学会誌 Volume: 88 Pages: 105-109
  • NAID: 130007709467
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large terahertz magnetization response in ferromagnetic nanoparticles (2019)
  • Author(s): Ishii Tomoaki、Yamakawa Hiromichi、Kanaki Toshiki、Miyamoto Tatsuya、Kida Noriaki、Okamoto Hiroshi、Tanaka Masaaki、Ohya Shinobu
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 114 Issue: 6 Pages: 062402-062402
  • DOI: 10.1063/1.5088227
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hysteretic Current-Voltage Characteristics in the Deuterium-Dynamics- Triggered Charge-Ordered Phase of κ-D3(Cat-EDT-TTF)2 (2019)
  • Author(s): A. Ueda, K. Kishimoto, Y. Sunairi, J. Yoshida, H. Yamakawa, T. Miyamoto, T. Terashige, H. Okamoto and H. Mori
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 88 Issue: 3 Pages: 034710-034710
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.034710
  • NAID: 210000135137
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural Study of Bromide-Bridged Pd Chain Complex with Weak CH・・・O Hydrogen Bonds (2018)
  • Author(s): Rasel Mian Mohammad、Iguchi Hiroaki、Miyata Momoka、Takaishi Shinya、Yamakawa Hiromichi、Terashige Tsubasa、Miyamoto Tatsuya、Okamoto Hiroshi、Yamashita Masahiro
  • Journal Title: Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie Volume: 644 Issue: 14 Pages: 646-651
  • DOI: 10.1002/zaac.201700461
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast magnetization modulation induced by the electric field component of a terahertz pulse in a ferromagnetic-semiconductor thin film (2018)
  • Author(s): Ishii Tomoaki、Yamakawa Hiromichi、Kanaki Toshiki、Miyamoto Tatsuya、Kida Noriaki、Okamoto Hiroshi、Tanaka Masaaki、Ohya Shinobu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 6901-6901
  • DOI: 10.1038/s41598-018-25266-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Control of electronic states by a nearly monocyclic terahertz electric-field pulse in organic correlated electron materials (2018)
  • Author(s): Tatsuya Miyamoto, Hiromichi Yamakawa, Takeshi Morimoto, and Hiroshi Okamoto
  • Journal Title: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics Volume: 51 Issue: 16 Pages: 162001-162001
  • DOI: 10.1088/1361-6455/aad023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultrafast polarization control by terahertz fields via π-electron wavefunction changes in hydrogen-bonded molecular ferroelectrics (2018)
  • Author(s): T. Miyamoto, D. Hata, T. Morimoto, H. Yamakawa, N. Kida, T. Terashige, K. Iwano, H. Kishida, S. Horiuchi, and H. Okamoto
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 15014-15014
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33076-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of a nonlinear conducting path in an organic molecular ferroelectric by using emission of terahertz radiation (2017)
  • Author(s): Sotome M.、Kida N.、Kinoshita Y.、Yamakawa H.、Miyamoto T.、Mori H.、Okamoto H.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 24 Pages: 241102-241102
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.241102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mott Transition by an Impulsive dielectric Breakdown (2017)
  • Author(s): H. Yamakawa, T. Miyamoto, T. Morimoto, T. Tanishige, H. Yada, N. Kida, M. Suda, H. M. Yamamoto, R. Kato, K. Miyagawa, K. Kanoda and H. Okamoto
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 16 Issue: 11 Pages: 1100-1105
  • DOI: 10.1038/nmat4967
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電荷秩序相転移近傍における分子性導体α-(ET)2I3のテラヘルツ電場応答の研究 (2018)
  • Author(s): 山川大路、大瀧貴史、宮本辰也、寺重翼、森本剛史、浅田和規、高村直幹、貴田徳明、須田理行、山本浩史、森初果、岡本博
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] テラヘルツパルス励起による有機モット絶縁体κ型BEDT-TTF塩の常誘電－強誘電転移の研究Ⅱ (2018)
  • Author(s): 山川大路， 戸部光, 宮本辰也，寺重翼, 森本剛史, 貴田徳明, 宮川和也, 鹿野田一司, 須田理行, 山本浩史, 岡本博
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] テラヘルツパルス励起による有機モット絶縁体κ型BEDT-TTF塩の常誘電－強誘電転移の研究 (2017)
  • Author(s): 山川大路， 戸部光, 宮本辰也，寺重翼, 森本剛史, 貴田徳明, 宮川和也, 鹿野田一司, 須田理行, 山本浩史, 岡本博
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] テラヘルツパルス励起によるκ型BEDT-TTF塩のモット絶縁体－金属転移の研究 (2017)
  • Author(s): 山川大路，宮本辰也，寺重翼，森本剛史, 貴田徳明，山本浩史，須田理行，加藤礼三，宮川和也，鹿野田一司，岡本博
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Ultrafast formation of polarized charge-order by terahertz electric fields in dimer Mott insulators of organic molecular compounds (2017)
  • Author(s): H. Yamakawa, H. Tobe, K. Suzuki, T. Miyamoto, T. Morimoto, T. Terashige, N. Kida, K. Miyagawa, K. Kanoda, H. Okamoto
  • Organizer: 6th International Conference on Photoinduced Phase Transition and Cooperative Phenomena
  • Int'l Joint Research