Optical control of magnetic/dielectric properties by a phase contoled sub-cycle near infrared pulse in strongly correlated materials

• Project/Area Number: 17K14317
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kawakami Yohei 東北大学, 理学研究科, 助教 (60731172)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 超高速ダイナミクス / 光誘起相転移 / 光強電場効果 / 光磁気効果 / 第二高調波発生 / 強相関電子系 / 有機超伝導体 / 量子スピン液体 / 単一サイクル赤外光 / 超高速分光

Outline of Final Research Achievements

Optical controls of magnetic and dielectric properties in strongly correlated materials have been investigated using ultrashort near infrared (NIR) pulses. We have performed time-resolved experiments using the extremely short pulse (instantaneous field intensity >100 MV/cm, pulse width <6 fs). As a result, we have observed an ultrafast disappearance of ferroelectricity (complete photoinduced insulator to metal transition) in charge ordered organic crystal a-(BEDT-TTF)2I3 and novel optical functions (stimulated emission and second harmonic generation) sensitive to a superconducting transition in an organic superconductor k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br. Furthermore, ultrafast polarization rotation induced by an extremely short circularly polarized pulse has been detected in a quantum spin liquid material a-RuCl3. This result indicates a possibility of femto-second control of the magnetic property.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超伝導や強磁性、強誘電性、マルチフェロイクスといった特徴的な電気・磁気的性質を示す強相関電子系は次世代超高速エレクトロニクスを支える候補材料のひとつである。本研究では、その電子物性の超高速光制御を検証した。極限的な単一サイクル～サブサイクル光を用いた実験から、電荷秩序型有機物質における強誘電性の光消失、非BCS型有機超伝導体における非摂動論的な電荷駆動や新奇な光機能性を観測し、さらに、量子スピン液体におけるフェムト秒磁気操作の可能性も示された。これらの結果は、強相関電子系物質と高強度極短パルス光を組み合わせた次世代超高速エレクトロニクスの基幹技術の創生につながる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] レンヌ第一大学/ナント大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] レンヌ第一大学/ナント大学(フランス)
• [Journal Article] Nonlinear charge oscillation driven by a single-cycle light field in an organic superconductor (2018)
  • Author(s): Y. Kawakami, T. Amano, Y. Yoneyama, Y. Akamine, H. Itoh, G. Kawaguchi, H. M. Yamamoto, H. Kishida, K. Itoh, T. Sasaki, S. Ishihara, Y. Tanaka, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: 12 Issue: 8 Pages: 474-478
  • DOI: 10.1038/s41566-018-0194-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong light-field effects driven by nearly single-cycle 7fs light-field in correlated organic conductors (2018)
  • Author(s): Y. Kawakami, H. Itoh, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • Journal Title: J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. Volume: 51 Issue: 17 Pages: 174005-174005
  • DOI: 10.1088/1361-6455/aad40a
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 6 fs単一サイクル近赤外パルスによる有機超伝導体の第2、第3高調波発生II (2020)
  • Author(s): 川上洋平, 天野辰哉, 伊藤弘毅, 川口玄太, 山本浩史, 中村優斗, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 石原純夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における超高速スピンダイナミクス II (2020)
  • Author(s): 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] ディラック半金属SrIrO3薄膜における光キャリアダイナミクス II (2020)
  • Author(s): 大橋拓純, 赤嶺勇人, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における超高速スピンダイナミクス (2019)
  • Author(s): 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 5d電子系半金属SrIrO3薄膜の超高速光応答II (2019)
  • Author(s): 赤嶺勇人, 大橋拓純, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 6 fs単一サイクル近赤外パルスによる有機超伝導体の第2、第3高調波発生 (2019)
  • Author(s): 川上洋平, 天野辰哉, 伊藤弘毅, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 石原純夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] ディラック半金属SrIrO3薄膜における光キャリアダイナミクス (2019)
  • Author(s): 大橋拓純, 赤嶺勇人, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 単一サイクル光強電場が駆動する有機超伝導体の非線形電荷振動 (2019)
  • Author(s): 川上洋平、天野辰哉、伊藤弘毅、川口玄太、山本浩史、岸田英夫、伊藤桂介、佐々木孝彦、石原純夫、田中康寛、米満賢治、岩井伸一郎
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Photoinduced charge-order melting triggered by 6 fs single-cycle infrared pulses in α-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • Author(s): Y. Kawakami, Y. Akamine, T. Amano, H. Itoh, K. Yamamoto, Y. Nakamura, H. Kishida, T. Sasaki, S. Ishihara, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • Organizer: The 12 International conference on excitonic and photonic processes in condensed matter and nano materials (EXCON2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 6 fs infrared spectroscopy in a Mott insulator V2O3 (2018)
  • Author(s): T. Amano, Y. Kawakami, Y. Akamine, Y. Yoneyama, H. Itoh, Y. Nakamura, H. Kishida, S. Ishihara, L. Cario, E. Janod, B. Corraze, M. Lorenc, and S. Iwai
  • Organizer: The 12 International conference on excitonic and photonic processes in condensed matter and nano materials (EXCON2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 6 fs単一サイクル光強電場による有機超伝導体の非線形電荷振動II (2018)
  • Author(s): 川上洋平, 天野辰哉, 米山雄登, 赤嶺勇人, 伊藤弘毅, 川口玄太, 山本浩史, 岸田英夫, 伊藤桂介, 佐々木孝彦, 石原純夫, 田中康寛, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] ハニカム格子物質α-RuCl3の超高速光応答 (2018)
  • Author(s): 天野辰哉, 赤嶺勇人, 川上洋平, 伊藤弘毅, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] V2O3多結晶薄膜における光誘起絶縁体-金属転移の超高速ダイナミクス (2018)
  • Author(s): 天野辰哉, 赤嶺勇人, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 石原純夫, Laurent Cario, Etienne Janod, Benoit Corraze, Maciej Lorenc, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 6 fs単一サイクル光強電場による有機超伝導体の非線形電荷振動III (2018)
  • Author(s): 川上洋平, 天野辰哉, 赤嶺勇人, 伊藤弘毅, 川口玄太, 山本浩史, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 石原純夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] V2O3多結晶薄膜における光誘起絶縁体-金属転移の超高速ダイナミクス II (2018)
  • Author(s): 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 石原純夫, Laurent Cario, Etienne Janod, Benoit Corraze, Maciej Lorenc, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 5d電子系半金属SrIrO3薄膜の超高速光応答 (2018)
  • Author(s): 赤嶺勇人, 天野辰哉, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] ハニカム格子物質α-RuCl3の超高速光応答 II (2018)
  • Author(s): 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 6fs単一サイクル赤外光によるa-(ET)2I3の電荷秩序融解II；反射率変化とSHG強度の変化 (2018)
  • Author(s): 赤嶺勇人，天野辰哉，川上洋平，伊藤弘毅，山本薫，中村優斗，岸田英夫，佐々木孝彦，石原純夫，米満賢治，岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 6fs単一サイクル光強電場による有機超伝導体の非線形電荷振動 (2018)
  • Author(s): 川上洋平，天野辰哉，米山雄登，赤嶺勇人，伊藤弘毅，川口玄太，山本浩史，岸田英夫，伊藤桂介，佐々木孝彦，石原純夫，田中康寛，米満賢治，岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 反強磁性モット絶縁体V2O3の赤外6fs分光III (2018)
  • Author(s): 天野辰哉，赤嶺勇人，米山雄登，川上洋平，伊藤弘毅，中村優斗，岸田英夫，石原純夫，Laurent Cario，Etienne Janod，Benoit Corraze, Maciej Lorenc，岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] Polarization Selectivity of Charge Localization Induced by 7-fs Nearly Single-Cycle Light-Field in an Organic Metal (2017)
  • Author(s): Y. Kawakami, Y. Yoneyama, T. Amano, H. Itoh, K. Yamamoto, Y. Nakamura, H. Kishida, T. Sasaki, S. Ishihara, Y. Tanaka, K. Yonemitsu and S. Iwai
  • Organizer: 12th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 6 fs単一サイクル赤外光によるα-(ET)2I3の電荷秩序融解 (2017)
  • Author(s): 川上洋平，天野辰哉，米山雄登，伊藤弘毅，山本薫，中村優斗，岸田英夫，佐々木孝彦，石原純夫，米満賢治，岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] 6 fs単一サイクル赤外光によって生成されるκ型ET塩のドレスト電子状態 (2017)
  • Author(s): 米山雄登，天野辰哉，川上洋平，伊藤弘毅，米山直樹，伊藤桂介，佐々木孝彦，米満賢治，石原純夫，岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] 反強磁性モット絶縁体V2O3の赤外6 fs分光 II (2017)
  • Author(s): 天野辰哉，米山雄登，川上洋平，伊藤弘毅，中村優斗，岸田英夫，石原純夫，Laurent Cario，Etienne Janod，Benoit Corraze，Maciej Lorenc，岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] Ultrafast orbital excitation by 6 fs pulse in V2O3 (2017)
  • Author(s): Y. Kawakami, T. Kato, Y. Yoneyama, T. Amano, H. Itoh, K. Itoh, T. Sasaki, Y. Nakamura, H. Kishida, L. Cario, E. Janod, B. Corraze, M. Lorenc and S. Iwai
  • Organizer: 6th International Conferences on Photoinduced Phase Transitions (PIPT6)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast Mott-criticality driven by strong-field of single-cycle infrared pulse in organic salts (2017)
  • Author(s): Y. Yoneyama, Y. Kawakami, T. Amano, H. Itoh, N. Yoneyama, T. Sasaki, K. Yonemitsu, S. Ishihara and S. Iwai
  • Organizer: 6th International Conferences on Photoinduced Phase Transitions (PIPT6)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 有機超伝導体における光の増幅現象を発見-レーザーの原理で超伝導の機構を解明する-
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2018/06/press20180626-02.html