シングルショット超高速分光法による光誘起相転移初期過程の解明

• Project Area: Optical science of dynamically correlated electrons in semiconductors
• Project/Area Number: 21104510
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 片山 郁文 横浜国立大学, 学際プロジェクト研究センター, 特任教員(助教) (80432532)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2010: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2009: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: テラヘルツ / 誘電体 / シングルショット / 光誘起相転移 / 超高速分光 / テラヘルツ分光 / シングルショット分光法 / 超高速分光法 / 強相関有機ラジカル

Research Abstract

本研究では、シングルショットの超高速分光法を駆使することによって、光誘起相転移の初期過程を解明しようとするものである。今年度は、透過型の階段状ミラーを用いることによって、擬一次元白金錯体の高密度光励起状態を研究し、電荷密度波状態から、金属状態へと相転移が起こることを初めて見出した。
励起密度を上げていくことによって非線型的に吸収変化が誘起され、それは低周波に重みを持つことなどから金属相の応答であると考えられる。これは、シングルショットベースの測定方法を用いることで、これまで以上に高強度の光励起を損傷なく行うことができるようになったためであり、シングルショット分光法が光誘起相転移の研究に重要な知見をもたらすことを示している。
また、LiNbO3単結晶を用いた高強度のテラヘルツ波発生手法を用いて、量子常誘電体SrTiO3薄膜の非線形テラヘルツ分光を行い、ソフトモードの吸収が高周波シフトし、線幅が細くなることを示した。これはソフトモードの非調和性に起因するものであり、誘電分極が強誘電相転移に近い振幅にまでテラヘルツ電場によってゆすられていることを示唆している。これは、テラヘルツ波を用いた物性のコヒーレント制御が可能となってきていることを示しており、重要な結果である。
また、独自の技術である、反射型エシェロンミラーを用いて、LiNbO3単結晶のシングルショットの偏光回転ポンププローブ分光法により、LiNbO3のテラヘルツフォノンポラリトンが実時間でイメージング可能であることを示した。これは時間周波数をシングルショットでマップする新しい分光手法である。

Research Products

• [Journal Article] High-Frequency Coherent Phonons in Graphene on Silicon (2011)
  • Author(s): S.Koga, I.Katayama, S.Abe, H.Fukidome, M.Suemitsu, M.Kitajima, J.Takeda
  • Journal Title: Appl.Phys.Express Volume: 4(In press)
  • NAID: 10028209831
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent optical phonons in the iron oxypnictide SmFeAsO_<1-x>F_x(x=0.075) (2011)
  • Author(s): H.Takahashi, Y.Kamihara, H.Koguchi, T.Atou, H.Hosono, I.Katayama, J.Takeda, M.Kitajima, K.G.Nakamura
  • Journal Title: J.Phys.Soc.Jpn. Volume: 80 Pages: 13707-13707
  • NAID: 120003911383
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrabroadband terahertz generation using 4-N,N-dimethylamino-4_-N_-methyl-stilbazolium tosylate single crystals (2010)
  • Author(s): I.Katayama, R.Akai, M.Bito, H.Shimosato, K.Miyamoto, H.Ito, M.Ashida
  • Journal Title: Appl.Phys.Lett. Volume: 97 Pages: 21105-21105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrabroadband terahertz spectroscopy and its application to the thin films (2010)
  • Author(s): I.Katayama, M.Ashida
  • Journal Title: J.Vac.Soc.Jpn. Volume: 53 Pages: 301-301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonlinear Conversion Dynamics from Self-Trapped Exciton States to a Macroscopic Photoinduced Phase in Strongly Correlated Organic Radical Crystals (2009)
  • Author(s): I.Katayama, T.Kon, K.Mitarai, J.Takeda
  • Journal Title: Phys.Rev.B 80 Pages: 92103-92103
  • NAID: 120002380845
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy Transfer Dynamics in Light-Harvesting Small Dendrimers Studied by Time-Frequency Two-Dimensional Imaging Spectroscopy (2009)
  • Author(s): A.Yamada, A.Ishida, I.Akai, M.Kimura, I.Katayama, J.Takeda
  • Journal Title: J.Lumin 129 Pages: 1898-1898
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoinduced Phase Transition in Strongly Correlated TTTA Crystals Probed with Two-Photon Luminescence (2009)
  • Author(s): I.Katayama, K.Mitarai, T.Kon, J.Takeda
  • Journal Title: J.Lumin. 129 Pages: 1931-1931
  • Peer Reviewed
• [Presentation] LiNbO_3におけるフォノンポラリトン分散のシングルショット時間周波数イメージング計測 (2011)
  • Author(s): 堺原弘行、片山郁文、市田秀樹、兼松泰男、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会第66回年次大会
  • Place of Presentation: 新潟大学
  • Year and Date: 2011-03-26
• [Presentation] グラフェンにおけるコヒーレントフォノン (2011)
  • Author(s): 古賀翔、片山郁文、武田淳、阿部峻佑、吹留博一、末光眞希、島田透、北島正弘
  • Organizer: 第58回 応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2011-03-26
• [Presentation] 層状半導体PbI_2における励起子・励起子散乱及び励起子分子の発光ダイナミクスII (2011)
  • Author(s): 安藤光健、片山郁文、市田秀樹、若生周治、兼松泰男、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会第66回年次大会
  • Place of Presentation: 新潟大学
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] カーボンナノチューブにおけるコヒーレントフォノンの振幅増強 (2011)
  • Author(s): 田原佳祐、古賀翔、片山郁文、武田淳、唐捷、島田透、北島正弘
  • Organizer: 第58回 応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] Phase matching condition for ultrabroadband terahertz generation in a DAST Single Crystal (2011)
  • Author(s): I.Katayama, M.Bito, R.Akai, H.Shimosato, K.Miyamoto, H.Ito, M.Ashida
  • Organizer: the International Workshop on Optical Terahertz Science and Technology 2011
  • Place of Presentation: Santa Barbara, USA
  • Year and Date: 2011-03-16
• [Presentation] Terahertz Coherent Synchrotron Radiation Probed with Electro-Optic Sampling Method (2011)
  • Author(s): I.Katayama, H.Shimosato, M.Bito, K.Furusawa, M.Adachi, M.Shimada, H.Zen, S.Kimura, N.Yamamoto, M.Hosaka, M.Katoh, M.Ashida
  • Organizer: the International Workshop on Optical Terahertz Science and Technology 2011
  • Place of Presentation: Santa Barbara, USA
  • Year and Date: 2011-03-14
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた超短光パルスとフォノンポラリトンのシングルショット時間・周波数イメージング (2010)
  • Author(s): 堺原弘行、片山郁文、武田淳
  • Organizer: 第21回光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
  • Year and Date: 2010-12-10
• [Presentation] グラファイト表面におけるDモード・コヒーレントフォノンの振幅増強 (2010)
  • Author(s): 片山郁文、古賀翔、首藤健一、武田淳、島田透、菱田俊一、藤田大介、北島正弘
  • Organizer: 日本物理学会2010年秋季大会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学
  • Year and Date: 2010-09-26
• [Presentation] 層状半導体PbI2における励起子-励起子散乱及び励起子分子の発光ダイナミクス (2010)
  • Author(s): 安藤光健、片山郁文、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会2010年秋季大会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学
  • Year and Date: 2010-09-25
• [Presentation] 半金属Bi超薄膜におけるキャリアダイナミクスの時間領域THz分光 (2010)
  • Author(s): 横田耕一郎、片山郁文、武田淳、韓貴、D.McCarthy、長尾忠昭、北島正弘
  • Organizer: 日本物理学会2010年秋季大会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学
  • Year and Date: 2010-09-24
• [Presentation] 分子間振動から観る有機ラジカル結晶TTTAの相転移ダイナミクス (2010)
  • Author(s): 大原潤、河野太郎、片山郁文、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会2010年秋季大会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学
  • Year and Date: 2010-09-24
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた光Kerr効果による超短光パルスの実時間FROGイメージング計測 (2010)
  • Author(s): 堺原弘行、片山郁文、武田淳
  • Organizer: 第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学
  • Year and Date: 2010-09-17
• [Presentation] グラファイトにおけるコヒーレントDモードフォノンの表面プラズモン増強 (2010)
  • Author(s): 古賀翔、片山郁文、武田淳、首藤健一、島田透、菱田俊一、藤田大介、北島正弘
  • Organizer: 第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] DAST単結晶を用いた超広帯域テラヘルツ波発生の位相整合条件 (2010)
  • Author(s): 片山郁文、下里弘、赤井亮太、尾藤道隆、宮本克彦、伊藤弘昌、芦田昌明
  • Organizer: 第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] Ultrafast Phase Conversion to a Metallic State in Quasi-one-dimensional Platinum Comlexes under Extremely High-density Excitation (2010)
  • Author(s): T.Kawano, I.Katayama, T.Shin, J.Wolfson, K.A.Nelson, J.Takeda
  • Organizer: International Conference of Ultrafast Phenomena 2010
  • Place of Presentation: Snowmass USA
  • Year and Date: 2010-07-22
• [Presentation] Coherent Synchrotron Terahertz Radiation using Laser Bunch Slicing (2010)
  • Author(s): I.Katayama, H.Shimosato, M.Bito, K.Furusawa, M.Adachi, H.Zen, M.Shimada, N.Yamamoto, M.Hosaka, S.Kimura, M.Kato, M.Ashida
  • Organizer: 35th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 2010-07-20
• [Presentation] Dynamics of Coherent Phonons in Disordered Graphite (2010)
  • Author(s): I.Katayama, S.Koga, T.Shimada, K.Kato, S.Hishita, D.Fujita, J.Takeda, M.Kitajima
  • Organizer: International Conference of Ultrafast Phenomena 2010
  • Place of Presentation: Snowmass, USA
  • Year and Date: 2010-07-20
• [Presentation] Phase Transition Dynamics Probed with Photoluminescence due to Self-trapped Excitons in an Organic Radical TTTA crystal (2010)
  • Author(s): T.Takeuchi, K.Mitarai, I.Katayama, J.Takeda
  • Organizer: International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals 2010
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2010-07-08
• [Presentation] Enhancement of coherent D-mode phonons in highly-oriented pyrolytic graphite (2010)
  • Author(s): S.Koga, I.Katayama, J.Takeda, T.Shimada, S.Hishita, D.Fujita, M.Kitajima
  • Organizer: SSSJ-A3 Foresight Joint Symposium on Nanomaterials and Nanostructures
  • Place of Presentation: 東京大学・東京
  • Year and Date: 2010-07-06
• [Presentation] Optical Properties and Function Control of a Henn Egg White Lysozyme with Photochromic Materials (2010)
  • Author(s): N.Niimura, I.Katayama, T.Inada, J.Takeda
  • Organizer: International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals 2010
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2010-07-06
• [Presentation] Energy Transfer Efficiency from Light-Harvesting Antennas to the Core in π-Conjugated Small Dendrimers (2010)
  • Author(s): Y.Nagayoshi, K.Satake, I.Akai, Kimura, I.Katayama, J.Takeda
  • Organizer: International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals 2010
  • Place of Presentation: 京都市
  • Year and Date: 2010-07-05
• [Presentation] Surface Plasmon Enhancement of Coherent phonons in an ion-implanted graphite (2010)
  • Author(s): I.Katayama, S.Koga, J.Takeda, T.Shimada, S.Hishita, D.Fujita, M.Kitajima
  • Organizer: International conference on Nanophotonics 2010
  • Place of Presentation: つくば市
  • Year and Date: 2010-06-02
• [Presentation] Time frequency real-time imaging of ultrashort laser pulses with a single echelon mirror. (2010)
  • Author(s): H.Sakaibara, I.Katayama, J.Takeda
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2010-05-20
• [Presentation] Nonlinear THz Spectroscopy on the Dielectric Thin Films (2010)
  • Author(s): I.Katayama, H.Aoki, J.Takeda, H.Shimosato, M.Ashida, R.Kinjo, I.Kawayama, M.Tonouchi, M.Nagai, K.Tanaka
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2010-05-18
• [Presentation] Terahertz Field Detection of Coherent Synchrotron Radiation Produced by Laser Bunch Slicing (2010)
  • Author(s): I.Katayama, H.Shimosato, M.Bito, K.Furusawa, M.Adachi, M.Shimada, H.Zen, N.Yamamoto, M.Hosaka, S.Kimura, M.Katoh, M.Ashida
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2010-05-17
• [Presentation] Real-Time Time-Frequency Two-Dimensional Imaging of Ultrafast Excited-State Dynamics in Light-Harvesting Nano- and Biomaterials (2010)
  • Author(s): J.Takeda, A.Ishida, I.Katayama
  • Organizer: International Conference on Nanomaterials : Synthesis Characterization and Applications (ICN2010)
  • Place of Presentation: India
  • Year and Date: 2010-04-28
• [Presentation] カリボン系材料におけるコヒーレントフォノンのプラズモン増強 (2010)
  • Author(s): 古賀翔, 片山郁文, 武田淳, 首藤健一, 島田透, 加藤景子, 藤田大介, 北島正弘
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] 有機ラジカル結晶TTTAの光誘起相転移における局所構造変化と閾値特性 (2010)
  • Author(s): 竹内太郎, 御手洗圭, 片山郁文, 武田淳
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] コヒーレントシンクロトロン放射光のテラヘルツ電場計測 (2010)
  • Author(s): 片山郁文, 下里弘, 尾藤道隆, 古澤慧, 阿達正浩, 島田美帆, 全炳俊, 木村真一, 山本尚人, 保坂将人, 加藤政博, 芦田昌明
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2010-03-20
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた超短光パルスの実時間イメージング (2010)
  • Author(s): 堺原弘行, 片山郁文, 武田淳
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 2010-03-19
• [Presentation] グラファイトのコヒーレントD-モードフォノン (2010)
  • Author(s): 古賀翔, 片山郁文, 武田淳, 島田透, 加藤景子, 菱田俊一, 藤田大介, 北島正弘
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 2010-03-19
• [Presentation] コヒーレントシンクロトロン放射光テラヘルツ波の電場検出 (2010)
  • Author(s): 片山郁文, 下里弘, 尾藤道隆, 古澤慧, 阿達正浩, 島田美帆, 全炳俊, 木村真一, 山本尚人, 保坂将人, 加藤政博, 芦田昌明
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 2010-03-19
• [Presentation] 高強度テラヘルツパルスを用いた量子常誘電体SrTiO_3の非調和性検出 (2010)
  • Author(s): 片山郁文, 青木寛, 武田淳, 下里弘, 芦田昌明, 金城隆平, 川山巌, 斗内政吉, 永井正也, 田中耕一郎
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 2010-03-17
• [Presentation] 光捕集性デンドリマーにおけるエネルギー伝達の時間・周波数実時間イメージング (2010)
  • Author(s): 佐竹開、永吉祐子、赤井一郎、木村睦、片山郁文、武田淳
  • Organizer: 第21回光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] 励起子共鳴及びバンド間励起における半導体PbI2の高密度励起発光ダイナミクス (2010)
  • Author(s): 安藤光健、片山郁文、市田秀樹、兼松泰男、武田淳
  • Organizer: 第21回光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] Auナノ構造によるグラファイトのコヒーレントD-モードフォノンの振幅増強 (2010)
  • Author(s): 古賀翔、片山郁文、武田淳、首藤健一、島田透、久保敦、菱田俊一、藤田大介、北島正弘
  • Organizer: 第21回光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] 時間領域THz分光を用いた半金属Bi超薄膜のキャリアダイナミクス (2010)
  • Author(s): 横田耕一郎、片山郁文、武田淳、韓貴、D.McCarthy、長尾忠昭、北島正弘
  • Organizer: 第21回光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
• [Presentation] シングルショット分光法による一次元白金錯体の非線形光学応答 (2009)
  • Author(s): 河野太郎, 片山郁文, 武田淳, Taeho Shin, Johanna Wolfson, Keith A.Nelson
  • Organizer: 光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
  • Year and Date: 2009-12-12
• [Presentation] 炭素系材料におけるコヒーレントフォノンとその欠陥効果 (2009)
  • Author(s): 古賀翔, 片山郁文, 武田淳, 島田透, 加藤景子, 藤田大介, 北島正弘
  • Organizer: 光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学
  • Year and Date: 2009-12-11
• [Presentation] Broadband Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Strongly Correlated Organic Radical TTTA Crystals (2009)
  • Author(s): Ikufumi Katayama, Taro Kawano, Hiroshi Aoki, Jun Takeda, Hiroshi Shimosato, Masaaki Ashida
  • Organizer: 2^<nd> international conference on terahertz technology
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2009-12-01
• [Presentation] 量子常誘電体SrTiO_3における非線形テラヘルツ分光 (2009)
  • Author(s): 片山郁文, 青木寛, 武田淳, 永井正也, 田中耕一郎, 下里弘, 芦田昌明, 金城隆平, 川山巌, 斗内政吉
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-28
• [Presentation] 広帯域テラヘルツ時間領域分光による超伝導体MgB2薄膜の測定II (2009)
  • Author(s): 下里弘, 片山郁文, 齋藤伸吾, 島影尚,王鎮, 芦田昌明, 阪井清美
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-27
• [Presentation] 光伝導アンテナによる180THzに及ぶ超広帯域電場検出 (2009)
  • Author(s): 尾藤道隆, 下里弘, 片山郁文, 芦田昌明
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-27
• [Presentation] 反射型エシェロン光学素子を用いた超短光パルス計測II (2009)
  • Author(s): 堺原弘行, 片山郁文, 武田淳
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-27
• [Presentation] 光捕集性小型デンドリマーのエネルギー伝達効率と発光特性 (2009)
  • Author(s): 永吉祐子, 赤井一郎, 木村睦, 片山郁文, 武田淳
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-27
• [Presentation] イオン液体-芳香族炭化水素混合系における広帯域THz分光 (2009)
  • Author(s): 青木寛, 片山郁文, 武田淳, 上木岳士, 渡邉正義
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-27
• [Presentation] フォトクロミック物質を修飾したタンパク質の基礎光学特性と光機能 (2009)
  • Author(s): 新村生, 稲田妙子, 片山郁文, 武田淳
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-27
• [Presentation] 層状半導体PbI2の高密度励起子状態からの発光のダイナミクス (2009)
  • Author(s): 矢崎壮登, 片山郁文, 武田淳
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-25