高強度テラヘルツ波による遷移金属ダイカルコゲナイドの秩序変数操作と動的電子相制御
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21K13860
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
吉川 尚孝 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (20819669)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | テラヘルツ波 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 非平衡状態 / 電荷密度波 / 振幅モード / ２次元物質 / 超高速分光 / テラヘルツ分光 / 超伝導 |
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| Outline of Research at the Start |
超伝導や磁性などの複数の秩序相を示す物質においては、電荷、スピン、格子などの複数の自由度が関与し、秩序同士が相関の下に存在している。秩序間の相関を理解し制御することは物質機能として重要であるとともに、発現する物性のミクロスコピックな知見を与えると考えられる。光による非平衡状態の研究は動的に秩序間の相関を紐解き、静的な外力では到達し得ない隠れた秩序相の発現といった新奇な現象を引き出す物性制御のツールとして着目されている。本研究では、相転移現象の本質を担う秩序変数を光で操作することによる物性制御を目指し、高強度テラヘルツ波を用いた遷移金属ダイカルコゲナイドの非線形光学実験を遂行する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
遷移金属ダイカルコゲナイドには、電荷密度波(CDW)相に光照射をすると、電子相の高効率な非熱的融解現象や、平衡状態では出現しない隠れた秩序相への相転移といった現象が生じることが報告されており、光による電子相制御の対象として活発な研究が進められている。最近我々は、遷移金属ダイカルコゲナイドの一種である3R-TaSe2薄膜に高強度テラヘルツ(THz)波パルスを照射すると、CDW振幅モードが二光子励起され、さらに平衡状態にない絶縁体的な状態が現れることを見出した。今年度は、高強度THz波パルス照射によって平衡状態のCDW秩序がどのように抑制されていくか、その動的な融解過程のメカニズムを明らかにすることを目標に実験を行った。
高強度THz波をCDW相の3R-TaSe2薄膜に照射した際の近赤外光の透過率変化のダイナミクスを調べたところ、駆動力としてのTHz波が過ぎ去った後もCDW振幅モードに由来する減衰振動が観測された。励起THz波の強度を上げていくと、一定の強度以上で急激に振動のソフトニングやダンピングの増加が顕著になっていき、最終的には振幅モードが消失する振る舞いが観測された。この実験結果は、Ginzburg-Landau(GL)モデルに基づく秩序変数の時間発展のシミュレーションで再現され、振幅モードのソフトニングがポテンシャルのピコ秒スケールでの動的な変化を反映していることを明らかにした。さらに、CDW融解に必要なTHz波による注入エネルギーの温度依存性を調べると、系をCDW転移温度まで上昇させるために必要なエネルギーより1桁以上小さく、CDWの凝集エネルギーの温度依存性とよく一致することがわかった。つまり、THz波励起によってCDWを形成する電子系とCDW形成に寄与する格子系のみに対して選択的にエネルギー注入することで、非常に高効率な非熱的電子相融解を実現したと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実績の概要にある通り、電荷密度波の融解はテラヘルツ波の注入エネルギーによる非常に高効率な電荷秩序の抑制が関係しているであろうことがわかってきた。これは当初想定していなかったことで、このことを結論づけるためにダブルパルスTHz励起による実験などを追加で行っていた。そのため当初の予定よりやや遅れてしまったが、テラヘルツ波励起によって誘起される電荷密度波のダイナミクスがより詳しく明らかになったと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
高効率な電荷密度波のダイナミクスに関して、速い時間スケール(ピコ秒)での融解ダイナミクスは明らかになってきたが、融解後の長い時間(ナノ秒)のダイナミクスは未解明である。高効率な融解後の非熱的状態が準安定に持続している兆候があり、その寿命等を明らかにする長時間ダイナミクスの実験を進める予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
