Study of electronic-ferroelectric domains driven by strong optical and terahertz fields

• Project/Area Number: 18H01144
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Itoh Hirotake 東北大学, 理学研究科, 助教 (70565978)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 薫 岡山理科大学, 理学部, 准教授 (90321603)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2018: ¥14,690,000 (Direct Cost: ¥11,300,000、Indirect Cost: ¥3,390,000)
• Keywords: 電子強誘電体 / 電荷秩序 / テラヘルツ波発生 / テラヘルツ強電場 / 光誘起相転移 / 強相関電子系 / 強誘電ドメイン / アニオン秩序 / 超高速現象 / 高強度テラヘルツ

Outline of Final Research Achievements

Toward tailoring gigantic optical responses of matters, terahertz (THz) and optical spectroscopies were performed on electronic-ferroelectric (e-FE) domains in strongly-correlated organic conductors. (1) By developing the terahertz-emission microscope, the e-FE domains were found to have a typical size of 100 microns. (2) e-FE domains were found to show characteristic behaviors upon photoexcitation, such as polarization inversion or ultrafast THz oscillation. (3) With the developed intense THz light source, e-FE polarization was found to show ultrafast and gigantic responses following a THz electric field. (4) The newly-developed instrument has enabled precise measurement of pyroelectric current in e-FE materials.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

強相関電子系では強誘電・強磁性・金属・超伝導など多彩な電子状態が競合しており、外部刺激によってこれらを自由に制御できれば基礎応用両面で高価値である。本研究によって、空間的に現れた相競合状態といえるドメイン壁(正負の電子強誘電分極ドメインの境界)が、巨大で高速な光・テラヘルツ応答を示すことが明らかとなった。この成果は、電子状態を光で操るための指針となるだけでなく、ドメイン壁を利用して非バルク的な物性を創り出せる可能性をも示している。

Research Products

• [Journal Article] Petahertz non-linear current in a centrosymmetric organic superconductor (2020)
  • Author(s): Y. Kawakami, T. Amano, H. Ohashi, H. Itoh, Y. Nakamura, H. Kishida, T. Sasaki, G. Kawaguchi, H. M. Yamamoto, K. Yamamoto, S. Ishihara, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4138-4138
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17776-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-Temperature Cooperative Spin Crossover Transitions and Single-Crystal Reflection Spectra of [FeIII(qsal)2](CH3OSO3) and Related Compounds (2019)
  • Author(s): Takahashi Kazuyuki、Yamamoto Kaoru、Yamamoto Takashi、Einaga Yasuaki、Shiota Yoshihito、Yoshizawa Kazunari、Mori Hatsumi
  • Journal Title: Crystals Volume: 9 Issue: 2 Pages: 81-81
  • DOI: 10.3390/cryst9020081
  • NAID: 120006599239
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
• [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
• [Presentation] アニオン秩序を示す有機電子型強誘電体(TMTTF)2BF4におけるドメイン構造の光励起ダイナミクス (2021)
  • Author(s): 伊藤弘毅, 岸田晶穂, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第76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 III (2021)
  • Author(s): 天野辰哉, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 後藤貫太, 中村優斗, 岸田英夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 高温超伝導体YBa2Cu3Oyの超高速準粒子ダイナミクス (2021)
  • Author(s): 大橋拓純, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 西嵜照和, 大串研也, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 第二次高調波発生から見たLuFe2O4結晶の電子強誘電性 (2021)
  • Author(s): 于洪武, 森田敦也, 石川忠彦, 腰原伸也, 深田幸正, 藤原孝将, 池田直, 岸田晶穂, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 沖本洋一
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Temperature-Modulated Pyroelectricity Measuring for Single Crystals of Molecular Ferroelectrics and Analysis of Modulation Frequency Dependence of the Pyrocurrent using a 1D Heat Transfer Model (2021)
  • Author(s): Kaoru Yamamoto
  • Organizer: The 101st CSJ Annual Meeting of The Chemical Society of Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電子型強誘電ドメイン構造が示す特異な温度履歴と光励起ダイナミクス (2020)
  • Author(s): 伊藤弘毅
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」令和2年度領域研究会
• [Presentation] Domain Structures and Photoinduced Dynamics of Electronic Ferroelectrics Investigated by Terahertz-Emission Microscopy (2020)
  • Author(s): Hirotake Itoh, Kaoru Yamamoto, Martin Dressel, Shinichiro Iwai
  • Organizer: Asian Spectroscopy Conference 2020 (ASC2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 強相関π電子がつくる電荷秩序・強誘電ドメインの形成機構解明と光機能探索 (2020)
  • Author(s): 伊藤弘毅
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」公募研究キックオフミーティングシリーズD01班
• [Presentation] 微小単結晶試料のための温度変調焦電流測定装置の開発と熱解析による電気分極の定量 (2020)
  • Author(s): 川崎あゆみ, 立古佳与, 山本薫
  • Organizer: 分子科学討論会 オンライン討論会2020
• [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] アニオン秩序を示す有機電子型強誘電体(TMTTF)2X (X = ReO4,BF4)の光励起電荷ダイナミクス (2020)
  • Author(s): 伊藤弘毅, 佐野聡太, 岸田晶穂, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 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] 電子強誘電体LuFe2O4の時間分解非線形分光測定 (2020)
  • Author(s): 于洪武, 深田正幸, 清宮僚人, 池田直, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 石川忠彦, 腰原伸也, 沖本洋一
  • 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] 有機伝導体(TMTTF)2Xにおける電荷秩序-強誘電ドメインの顕微テラヘルツ波発生による観測と光制御 (2019)
  • Author(s): 伊藤弘毅
  • Organizer: 第29回日本MRS年次大会
  • Invited
• [Presentation] Domain Structures of Electronic Ferroelectrics (TMTTF)2X Investigated by Terahertz-Emission Microscopy (2019)
  • Author(s): Hirotake Itoh, Kaoru Yamamoto, Martin Dressel, and Shinichiro Iwai
  • Organizer: 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2019)
  • Int'l Joint Research
• [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] 異常な温度履歴を示す電子型強誘電体(TMTTF)2BF4のテラヘルツ波発生分光 (2019)
  • Author(s): 伊藤弘毅, 佐野聡太, 岸田晶穂, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 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] 電子型強誘電体(TMTTF)2X(X=PF6, AsF6, SbF6)における光誘起相転移の微視的/巨視的ダイナミクス (2019)
  • Author(s): 伊藤弘毅, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [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] 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 (2019)
  • 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] アニオン秩序を示す有機電子型強誘電体(TMTTF)2X(X=ReO4, BF4)のテラヘルツ波発生分光 III (2019)
  • Author(s): 伊藤弘毅, 村上泰樹, 佐野聡太, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 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 (2019)
  • 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 (2019)
  • 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 (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: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 擬一次元有機伝導体(TMTTF)2X(X=ReO4, BF4)における電子型強誘電ドメインの顕微テラヘルツ波発生分光 (2019)
  • Author(s): 佐野聡太, 村上泰樹, 伊藤弘毅, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Domain Structures of Electronic Ferroelectrics Investigated by Terahertz-Emission Microscopy (2018)
  • Author(s): 伊藤 弘毅
  • Organizer: CEMS Topical Meeting on Modern Ferroelectrics 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アニオン秩序を示す有機電子型強誘電体(TMTTF)2X(X=ReO4, BF4)のテラヘルツ波発生分光 II (2018)
  • Author(s): 村上泰樹, 伊藤弘毅, 佐野聡太, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] アニオン秩序を示す有機電子型強誘電体(TMTTF)2X(X=ReO4, BF4)のテラヘルツ波発生分光 I (2018)
  • Author(s): 伊藤弘毅, 村上泰樹, 佐野聡太, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 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] 光照射温度変調法によるα-(BEDT-TTF)2I3の焦電係数測定 (2018)
  • Author(s): 立古佳与, 多賀在敏, 山本薫
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 顕微テラヘルツ波発生法の開発による電荷秩序ドメインの空間ダイナミクス解明 (2018)
  • Author(s): 伊藤弘毅
  • Organizer: 豊田理研異分野若手交流会
• [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 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photoinduced domain structures of ferroelectric charge-ordering in organic conductors observed via terahertz emission microscopy (2018)
  • Author(s): Hirotake Itoh, Kaoru Yamamoto, Martin Dressel, Yohei Kawakami, and Shinichiro Iwai
  • Organizer: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • Int'l Joint Research
• [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 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東北大学 理学研究科 物理学専攻 超高速分光研究室
  • URL: http://femto.phys.tohoku.ac.jp/