Development of a THz wave pump electron diffraction probe system for study on strong electric field induced phenomena in materials
| Project/Area Number |
23K25798
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| Project/Area Number (Other) |
23H01101 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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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 | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
羽田 真毅 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70636365)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
仁科 勇太 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (50585940)
大村 訓史 広島工業大学, 工学部, 准教授 (90729352)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
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| Keywords | 光物性 / 電子線回折 / テラヘルツ波 / 液晶 / 計測手法 / 誘電体 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、サブピコ秒の時間幅を持つパルス電子線をプローブに用いた時間分解電子線回折装置に、ポンプ光として高強度のテラヘルツ波を発生するシステムを構築し、強電場励起による物質の時々刻々と変化する構造ダイナミクスを可視化する技術を創出する。本技術を活用して液晶などの配向分極、セラミックスや有機結晶などのイオン分極・電子分極による誘電体の超高速スイッチング機能と物質の過渡的な構造との関係を明らかにし、次世代の超高速構造ダイナミクス計測の科学技術基盤を開拓する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、サブピコ秒（1～10兆分の1秒）の時間幅を持つパルス電子線をプローブに用いた時間分解電子線回折装置に、ポンプ光として高強度のテラヘルツ波を発生するシステムを構築し、強電場励起による物質の時々刻々と変化する構造ダイナミクスを可視化する技術を創出する。そして、本技術を活用して、誘電体材料など多彩な物質の光励起あるいは電場励起による構造変化と機能との関係を世界に先駆けて展開し、構造ダイナミクス観測の科学技術基盤を開拓する。
2023年度は、超高速時間分解電子線回折装置のサンプルチャンバーをテラヘルツ波を強集光できるようにレンズ等を中に導入可能な大型のもの拡張するとともに、これまではLiNbO3にパルス光を集光して発生していたテラヘルツ波をBNA有機結晶にパルス光を平行に入射することで同程度の強度でテラヘルツ波を発生させることに成功しており、これらの結果は、応用物理学会等で発表を行った。さらに、既存の透過型の時間分解電子線回折装置を用いて、テラヘルツ波励起しても興味深い現象を示すと考えられる遷移金属ダイカルコゲナイドの薄膜試料の光誘起のダイナミクス計測も行っている。特に、原子・分子の構造変化を観測することが得意な超高速時間分解電子線回折法を用いて、新たに半導体の伝導体における電子の運動を観測することにも成功している。これらは非線形光学効果を積極的に利用したものであり、米国化学会のJ. Phys. Chem. C誌や米国物理協会のAppl. Phys. Lett.誌などに掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度の目標としては、超高速時間分解電子線回折装置のサンプルチャンバーをテラヘルツ波を強集光できるように大型のチャンバーに拡張することであったが、これは装置の試料チャンバーそのものを交換する必要があった。2023年度のこの大規模な変更を行うことができたことは大きな進歩であると言える。したがって、2024年度よりスムーズな計測実験を行うことが可能であるため、おおむね順調に進展していると言える。また、既存のシステムを用いて、テラヘルツ波励起しても興味深い現象を示すと考えられる遷移金属ダイカルコゲナイドの薄膜試料の光誘起のダイナミクス計測も行い、さらに強誘電性を示す液晶分子も手に入っていることからも、研究が順調に進んでいると言える。、
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度は、100kV/cm程度のテラヘルツ波を超高速時間分解電子線回折装置の中で発生させるシステム開発を完成させて、強誘電液晶などのダイナミクス計測を進めていくことを目標とする。また、これらの結果はその他の時間分解分光計測や理論計算と整合することで、論文として発表していく予定である。
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Report
(1 results)
Research Products
(21 results)
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[Presentation] 光剥離分子材料の超高速構造変化の計測と高コヒーレンス時間分解電子線回折装置の開発2023
Author(s)
齋田友梨, 小西智暉, 佐藤竜馬, 中池由美, 矢嶋渉, 四方諒, 岩崎ゆい, 山田洋一, 原光生, 齊藤尚平, 羽田真毅
Organizer
日本顕微鏡学会 第79回学術講演会
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[Presentation] 熱活性遅延蛍光材料4CzIPN単結晶の光誘起構造ダイナミクス2023
Author(s)
塩谷海斗, 西郷将生, 五十幡康弘, 宮田潔志, 桑原真人, 木幡真太郎, 齋田友梨, 山田洋一, 石川忠彦, 腰原伸也, 後藤仁志, 中野谷一, 恩田健, 安達千波矢, 羽田真毅
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[Presentation] カーボンナノチューブ窒化ホウ素ナ ノチューブヘテロ構造体における超高速キャリア・フォノンのダイナミクス計測2023
Author(s)
齋田友梨, Gauthier Thomas, 鈴木弘朗, 大村訓史, 四方諒, 岸淵美咲, 田中佑一郎, 矢嶋渉, Godin Nicolas, Privault Gael, 腰原伸也, 鶴田健二, 林靖彦, Bertoni Roman, 羽田真毅
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第84回応用物理学会秋季学術講演会
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