テラヘルツ近接場による超高速ナノ空間電子マニュピュレーション

• Project Area: Science of hybrid quantum systems
• Project/Area Number: 18H04288
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 武田 淳 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60202165)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2019: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2018: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: テラヘルツ / 近接場 / 電子操作 / 走査トンネル顕微鏡 / サブサイクル / コヒーレント制御

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、超高真空中で動作するナノスケールかつサブサイクルの時間分解能を持つテラヘルツ走査型トンネル分光（THz-STM）技術を開発する。単一トンネル接合において、所望のTHz近接場を創り出しその場で観測する処方箋を構築し、トンネル電子を自在に量子操作する近接場分光技術を確立することを目指す。
初年度に開発した超高真空THz-STMは、光の回折限界を打破し、ナノ～原子スケールで電子を高速操作することを可能にした。一方、中赤外（MIR）パルスとSTMを融合させることができれば、時間分解能を大幅に改善することができ、かつ中赤外領域特有の分子内振動や格子振動・電荷移動などの諸現象を原子レベルでその場観察し操作することが可能となる。そこで、MIR-STMの開発に着手した。optical parametric chirp pulse amplifier（OPCPA）から出力されたパルス幅8.2 fs、繰り返し4 MHz、平均出力4.3 W、中心波長 850 nmの近赤外パルスとGaSe結晶におけるタイプI位相整合による光整流を用いることで、中心周波数27.5 THz、パルス幅31 fs、電場尖頭値190 kV/cmの中赤外パルス発生をCEP揺らぎ56 mrad（5.6時間）の安定性を達成することができ、MIR-STM開発の素地を作ることができた。
更に、電子操作だけではなく、電子よりもはるかに重いイオンをTHzパルスにより動かすことに挑戦した。二次電池材料として使われるなどイオンが動きやすいことで知られる超イオン伝導体を研究対象として、THzパルスによりイオンの流れを電流として計測することに成功した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] MIT/CalTech/Rice University(米国)
• [Journal Article] Macroscopic Ionic Flow in a Superionic Conductor Na+ β-Alumina Driven by Single-Cycle Terahertz Pulse (2020)
  • Author(s): Y. Minami, B. Ofori-Okai, P. Sivarajah, I. Katayama, J. Takeda, K. A. Nelson, and T. Suemoto
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 124 Issue: 14 Pages: 147401-147401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.147401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subcycle mid-infrared coherent transients at 4??MHz repetition rate applicable to light-wave-driven scanning tunneling microscopy (2019)
  • Author(s): Yoshioka Katsumasa、Igarashi Ippo、Yoshida Shoji、Arashida Yusuke、Katayama Ikufumi、Takeda Jun、Shigekawa Hidemi
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 44 Issue: 21 Pages: 5350-5350
  • DOI: 10.1364/ol.44.005350
  • NAID: 120006773346
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Terahertz Faraday and Kerr Rotation Spectroscopy of Bi1-xSbx Films in High Magnetic Fields up to 30 Tesla (2019)
  • Author(s): X. Li, K. Yoshioka, M. Xie, T. Hagiwara, G. T. Noe II, W. Lee, N. Marquez Peraca, W. Gao, T. Hagiwara, H. S. Orjan, L-W. Nien, T. Nagao, M. Kitajima, H. Nojiri, X. Li, C-K. Shih, A. H. MacDonald, I. Katayama, J. Takeda, G. A. Fiete, and J. Kono
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 100 Issue: 11 Pages: 115145-115145
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.115145
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tailoring Single-Cycle Near-Field in a Tunnel Junction with Carrier-Envelope Phase-Controlled Terahertz Electric Fields (2018)
  • Author(s): K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, H. Takahashi, and J. Takeda
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 18 Issue: 8 Pages: 5198-5204
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02161
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Terahertz-Field-Induced Carrier Generation in Bi1-xSbx Dirac Electron Systems (2018)
  • Author(s): I. Katayama, H. Kawakami, T. Hagiwara, Y. Arashida, Y. Minami, L.-W. Nien, O. S. Handegard, T. Nagao, M. Kitajima, and J. Takeda
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 98 Issue: 21 Pages: 214302-214302
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.214302
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast Optical Control of Multiple Coherent Phonons in Silicon Carbide Using a Pulse Shaping Technique (2018)
  • Author(s): Y. Arashida , K. Murakami, I. Katayama, and J. Takeda
  • Journal Title: Appl. Phys. Exp. Volume: 11 Issue: 12 Pages: 122701-122701
  • DOI: 10.7567/apex.11.122701
  • Peer Reviewed
• [Presentation] テラヘルツ電場誘起トンネリングによる金属探針におけるプラズモン発光 (2020)
  • Author(s): 森永悠太、木村謙介、堀川聖、吉岡克将、浅川寛太、嵐田雄介、片山郁文、今田 裕、金 有洙、武田 淳
  • Organizer: 2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 表面電子系の高強度THz現象解明へ向けた超高真空THz-STMの開発 (2020)
  • Author(s): 小玉暢之、嵐田雄介、浅川寛太、金島圭佑、片山郁文、武田 淳
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Ultrafast Electron Manipulation Using THz Scanning Tunneling Microscopy With Tailor-Made Near Fields (2019)
  • Author(s): J. Takeda, K. Yoshioka, Y. Arashida, and I. Katayama
  • Organizer: International Photonics and OptoElectronics Meetings (POEM 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast Electron Manipulation on the Nanoscale with Phase-Controlled Near Fields (2019)
  • Author(s): J. Takeda, K. Yoshioka, K. Asakawa, Y. Arashida, and I. Katayama
  • Organizer: International Symposium on Hybride Quantum System 2019 (HQS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Low-Temperature THz-Driven Scanning Tunneling Microscope (2019)
  • Author(s): K. Asakawa, K. Kimura, Y. Morinaga, K. Yoshioka, M. Horikawa, Y. Arashida, H. Imada, I. Katayama, Y. Kim, and J. Takeda
  • Organizer: International Symposium on Hybride Quantum System 2019 (HQS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanoscale Amorphization of Ge2Sb2Te5 by Laser-Driven STM (2019)
  • Author(s): D. Kim, K. Asakawa, S. Yaguchi, K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, S. Yoshida, H. Shigekawa, M. Kuwahara, and J. Takeda
  • Organizer: International Symposium on Hybride Quantum System 2019 (HQS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] テラヘルツ電場誘起電子トンネリングとナノ分光法への応用 (2019)
  • Author(s): 片山郁文、吉岡克将、武田 淳
  • Organizer: 第29回日本MRS年次大会
  • Invited
• [Presentation] パルステラヘルツ近接場によるナノスケール・超高速トンネル電子制御 (2019)
  • Author(s): 片山郁文、吉岡克将、武田 淳
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 光波駆動 STM のための高繰り返しサブサイクル中赤外パルス発生 (2019)
  • Author(s): 吉岡克将、五十嵐一歩、吉田昭二、嵐田雄介、片山郁文、武田 淳、重川秀実
  • Organizer: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 走査トンネル顕微鏡によるGe2Sb2Te5の光誘起ナノスケール相変化 (2019)
  • Author(s): 浅川寛太、キム・ダンイル、 谷口将太朗、吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、吉田昭二、重川秀実、桑原正史, 武田 淳
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 位相制御THz-STMによるトンネル電子のナノ空間超高速サブサイクル制御 (2019)
  • Author(s): 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴 篤彦、河田陽一、小西邦昭、髙橋宏典、武田 淳
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] カルコゲナイド合金Ge2Sb2Te5におけるナノスケール光誘起相変化 (2019)
  • Author(s): 谷口将太朗、片山郁文、嵐田雄介、吉岡克将、吉田昭二、重川秀実、桑原正史、武田 淳
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体Bi1-xSbxにおけるテラヘルツ磁気光学応答 (2019)
  • Author(s): 吉岡克将、X. Li、萩原俊雄、田岡裕貴、嵐田雄介、O. S. Handegard、片山郁文、長尾忠昭、河野淳一郎、武田 淳
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体Bi1-xSbx薄膜のパルス強磁場下テラヘルツ応答 (2019)
  • Author(s): 吉岡克将、G. T. Noe、X. Li、野尻浩之、萩原俊雄、田岡裕貴、嵐田雄介、O. S. Handegard、長尾忠昭、河野淳一郎、武田 淳、片山郁文
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Nanoscale Electron Manipulation Using Phase-controlled THz Near-fields (2018)
  • Author(s): J. Takeda, K. Yoshioka, Y. Arashida, and I. Katayama
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sub-Cycle Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Phase-controlled Single-Cycle THz Near-Fields (2018)
  • Author(s): K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, H. Takahashi, and J. Takeda
  • Organizer: International Conference on Ultrafast Phenomena 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nonlinear Terahertz Dynamics of Dirac Electrons in Bi Thin Films (2018)
  • Author(s): I. Katayama, Y. Minami, Y. Arashida, O. S. Handegard, T. Nagao, M. Kitajima, and J. Takeda
  • Organizer: SPIE Optics + Photonics 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] THz-Field-Driven Electron Tunneling On The Nanoscale (2018)
  • Author(s): J. Takeda, K. Yoshioka, Y. Minami, Y. Arashida, and I. Katayama
  • Organizer: 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In-situ Tailoring of Single-cycle Near Field in a Tunnel Junction Using Phase-controlled THz-STM (2018)
  • Author(s): K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, K. Konishi, H. Takahashi, and J. Takeda
  • Organizer: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 位相制御THz-STMを用いたTHz近接場とトンネル電子のサブサイクル制御 (2018)
  • Author(s): 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴 篤彦、河田陽一、小西邦昭、高橋宏典、武田 淳
  • Organizer: 2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 極短時間・ナノ空間で電子を操る！ ～テラヘルツ近接場によるナノスケール電子マニピュレーション～ (2018)
  • Author(s): 武田 淳
  • Organizer: 物理科学の最前線（東北大学）
  • Invited
• [Presentation] THz近接場によるサブサイクル電子マニピュレーション (2018)
  • Author(s): 武田 淳
  • Organizer: 第22回名古屋大学VBLシンポジウム
  • Invited
• [Remarks] 武田・片山・金島研究室
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp
• [Remarks] 武田・片山・浅川研究室
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/
• [Remarks] 量子操作による光ナノ計測情報通信の革新的イノベーション研究拠点
  • URL: http://www.laser-nanoscience.ynu.ac.jp/ja/
• [Patent(Industrial Property Rights)] TUNNEL CURRENT CONTROL APPARATUS AND TUNNEL CURRENT CONTROL METHOD (2019)
  • Inventor(s): Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • Industrial Property Rights Holder: Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] TUNNEL CURRENT CONTROL APPARATUS AND TUNNEL CURRENT CONTROL METHOD (2019)
  • Inventor(s): Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • Industrial Property Rights Holder: Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
  • Overseas