高強度テラヘルツ波による励起状態の制御とそのシングルショット分光

• Project Area: Optical science of dynamically correlated electrons in semiconductors
• Project/Area Number: 23104713
• 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, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80432532)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2012: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2011: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: テラヘルツ / 光物性 / シングルショット / 超高速分光 / 光誘起相転移 / フォノンポラリトン / 強誘電体

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、光照射とテラヘルツ照射を同時に行うことによって、光誘起相転移の初期過程を制御し、高効率・選択的転移の制御を行うことを目的としている。しかしながら光誘起相転移の中には短時間では不可逆なものも存在するため、本研究ではシングルショットの分光手法を開発し、それを駆使することによってこのような相転移での超高速ダイナミクスを明らかにすることを目指した。反射型エシェロンと呼ばれる素子を新たに設計・開発し、プローブ光を反射・回折させることで、空間的に時間遅延を付与し、それを分光器のスリット上にイメージングすることで時間周波数情報をシングルショットで得られる。これによって広帯域のポンププローブ分光がシングルショットで行えることをβカロテンで実証した。たとえば、光誘起相転移材料として古くから研究されている、ポリジアセチレンと呼ばれる光励起によって色相転移を示す物質でも、シングルショットでそのダイナミクスを観測することに成功した。これによって、色相転移の相転移時間が5 ps内に完了していることが初めてわかった。また、テラヘルツ電場の検出に反射型エシェロンを用いることによってテラヘルツ電場スペクトルをS/N～100程度で観測できることを明らかにした。これはシングルショットで実現できるS/Nとしてはかなり高いものであるといえる。これによって、光誘起相転移のテラヘルツダイナミクスを調べることができるものと期待される。また、このZnTeの部分を光誘起相転移を示す物質に変更することによって、テラヘルツ波によって誘起される応答の変化をシングルショットでモニターすることが可能となるといえる。このように本研究では光・テラヘルツ同時照射実験の基盤を築くとともに、短時間では不可逆な相転移の初期過程を明らかにすることができた。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photoluminescence Dynamics due to Biexcitons and Exciton-Exciton Scattering in Layered-Type Semiconductor PbI2 (2012)
  • Author(s): M. Ando
  • Journal Title: Phys. Rev. B. Volume: 86 Issue: 15 Pages: 155206-155206
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.155206
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光パルス及び強誘電体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 (2012)
  • Author(s): 武田淳
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 40 Pages: 598-602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoluminescence Dynamics in CuCl Thin Films under High-Dense One- and Two-Photon Excitations (2012)
  • Author(s): M. Ando
  • Journal Title: Phys. Status Solidi (c) Volume: 9 Issue: 12 Pages: 2493-2496
  • DOI: 10.1002/pssc.201200278
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ferroelectric soft mode in a SrTiO_3 thin film impulsively driven to the anharmonic regime using intense picosecond Terahertz pulses (2012)
  • Author(s): I. Katayama, H. Aoki, J. Takeda, H. Shimosato, M. Ashida, R. Kinjo, I. Kawayama, M. Tonouchi, M. Nagai, and K. Tanaka
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 108 Issue: 9 Pages: 97401-97401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.108.097401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric field detection of coherent synchrotron radiation in a storage ring generated using laser bunch slicing (2012)
  • Author(s): I. Katayama, H. Shimosato, M. Bito, K. Furusawa, M. Adachi, M. Shimada, H. Zen, S. Kimura, N. Yamamoto, M. Hosaka, M. Katoh, and M. Ashida
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett Volume: 100 Issue: 11 Pages: 111112-111112
  • DOI: 10.1063/1.3694049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-shot time-frequency imaging spectroscopy using an echelon mirror (2011)
  • Author(s): Hiroyuki Sakaibara, Yuki Ikegaya, I kufumi Katayama, and Jun Takeda
  • Journal Title: Opt. Lett Volume: 37 Issue: 6 Pages: 1118-1120
  • DOI: 10.1364/ol.37.001118
  • NAID: 120004769763
  • Peer Reviewed
• [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.Exp. Volume: 4 Issue: 4 Pages: 45101-45101
  • DOI: 10.1143/apex.4.045101
  • NAID: 10028209831
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-Time Time-Frequency Imaging of Ultrashort Laser Pulses Using an Echelon Mirror (2011)
  • Author(s): I. Katayama, H. Sakaibara, and J. Takeda
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys Volume: 50 Issue: 10R Pages: 1-5
  • DOI: 10.1143/jjap.50.102701
  • NAID: 120003911325
  • URL: http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=CLEO-2010-JThE83
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Dynamics of Surface-Enhanced Raman Scattering Due to Au Nanostructures (2011)
  • Author(s): Ikufumi Katayama, Sho Koga, Ken-ichi Shudo, Jun Takeda, Toru Shimada, Atsushi Kubo, Shunichi Hishita, Daisuke Fujita, Masahiro Kitajima
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 11 Pages: 2648-2648
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 欠陥に由来する二硫化モリブデンのコヒーレント振動モード (2013)
  • Author(s): 杉山夏樹
  • Organizer: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] シングルショットでのTHz波観察 (2013)
  • Author(s): 南康夫
  • Organizer: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] 単層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共鳴効果 (2013)
  • Author(s): 片山郁文
  • Organizer: 日本物理学会 第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 強誘電体LiNbO3におけるフォノンポラリトン波束伝播の実時間イメージングとコヒーレント制御 (2013)
  • Author(s): 池谷優樹
  • Organizer: 日本物理学会 第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] 超短パルスレーザーを用いたLiNbO3における広帯域Eモードフォノン・ポラリトン測定 (2012)
  • Author(s): 滝沢建郁
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] ベンゼンにおけるコヒーレント振動の温度依存性 (2012)
  • Author(s): 土井幸司郎
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] コヒーレントフォノン分光法によるグラフェンの超高速ダイナミクス (2012)
  • Author(s): 佐藤健次
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] 一次元ハロゲン架橋白金錯体の広帯域THz分光 (2012)
  • Author(s): 大島拓也
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた広帯域ポンプ・プローブイメージング分光II (2012)
  • Author(s): 八巻専元
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-09-18
• [Presentation] Ultrafast Quasiparticle Dynamics of FeTe0.75Se0.25 Superconductor (2012)
  • Author(s): Y. Kabasawa
  • Organizer: Ultrafast Phenomena XVIII
  • Place of Presentation: Lausanne, Switzerland
  • Year and Date: 2012-07-08
• [Presentation] Ultrafast Measurements of Coherent Vibrations in Benzenethiol Monolayer Film (2012)
  • Author(s): K. Shudo
  • Organizer: Ultrafast Phenomena XVIII
  • Place of Presentation: Lausanne, Switzerland
  • Year and Date: 2012-07-08
• [Presentation] Resonant Enhancement of Coherent Phonons in Carbon Nanotubes Observed with Sub-10fs Time Resolution (2012)
  • Author(s): I. Katayama
  • Organizer: Ultrafast Phenomena XVIII
  • Place of Presentation: Lausanne, Switzerland
  • Year and Date: 2012-07-08
• [Presentation] THz Coherent Phonons in Graphene on Silicon (2012)
  • Author(s): M. Suemitsu
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano 2012)
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 2012-07-04
• [Presentation] Electron-phonon Coupling and Dephasing of Coherent Phonons in Ar+-ion Implanted Graphite (2012)
  • Author(s): I. Katayama
  • Organizer: 6th International Conference on Science and Technology for Advanced Ceramics
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2012-06-26
• [Presentation] Ultrafast dynamics of electrons and phonons in iron-based superconductor FeTe0.75Se0.25 (2012)
  • Author(s): Y. Kabasawa
  • Organizer: 6th International Conference on Science and Technology for Advanced Ceramics
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2012-06-26
• [Presentation] Coherent Phonon Dynamics in Graphene on Silicon (2012)
  • Author(s): I. Katayama
  • Organizer: 5th International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMA 2012)
  • Place of Presentation: 奈良
  • Year and Date: 2012-06-03
• [Presentation] Photoluminescence Dynamics in CuCl Thin Films under High-Dense One- and Two-Photon Excitations (2012)
  • Author(s): M. Ando
  • Organizer: 5th International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMA 2012)
  • Place of Presentation: 奈良
  • Year and Date: 2012-06-03
• [Presentation] ベンゼンチオールのコヒーレント振動の金表面吸着による変化 (2012)
  • Author(s): 首藤健一
  • Organizer: 第67回年次大会物理学会
  • Place of Presentation: 関西学院大学
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 半金属Bi超薄膜における表面金属状態の時間領域THz分光 (2012)
  • Author(s): 横田耕一郎
  • Organizer: 第67回年次大会物理学会
  • Place of Presentation: 関西学院大学
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた広帯域シングルショットポンプ・プローブイメージング分光法の開発 (2012)
  • Author(s): 八巻専元
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2012-03-17
• [Presentation] LiNbO_3におけるテラヘルツフォノンポラリトンの検出波長依存性 (2011)
  • Author(s): 堺原弘行
  • Organizer: 日本物理学会2011秋季大会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2011-09-24
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた広帯域ポンプ・プローブイメージング分光 (2011)
  • Author(s): 八巻専元
  • Organizer: 日本物理学会2011秋季大会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] 局在表面プラズモンによるカーボンナノチューブのコヒーレントフォノン振幅増強 (2011)
  • Author(s): 田原佳祐
  • Organizer: 第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形
  • Year and Date: 2011-08-30
• [Presentation] Single-Shot Time-Frequency Imaging of Phonon-Polariton Dispersion in Ferroelectric LiNbO_3 (2011)
  • Author(s): I.Katayama
  • Organizer: The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO/QELS2011)
  • Place of Presentation: Baltimore, USA
• [Presentation] Ferroelectric Polarization in SrTiO3 Thin Film Driven by Intense Terahertz Pulses (2011)
  • Author(s): I.Katayama
  • Organizer: 5th International Conference on Science and Technology for Advanced Ceramics
  • Place of Presentation: Yokohama
• [Presentation] Real-Time Mapping of The Phonon-Polariton Dispersion in Ferroelectric LiNbO_3 Using Femtosecond Single-Shot Imaging Spectroscopy (2011)
  • Author(s): J.Takeda
  • Organizer: 5th International Conference on Science and Technology for Advanced Ceramics
  • Place of Presentation: Yokohama(招待講演)
• [Presentation] Photoluminescence Dynamics Due To Biexciton and Exciton-exciton Scattering Process In Layered-type Semiconductor PbI_2 (2011)
  • Author(s): M.Ando
  • Organizer: International Conference on Luminescence (ICL'11)
  • Place of Presentation: Ann Arbor, USA
• [Presentation] Energy conversion efficiency in light-harvesting π-conjugated small dendrimers studied by photoluminescence Spectroscopy (2011)
  • Author(s): K.Satake
  • Organizer: International Conference on Luminescence (ICL'11)
  • Place of Presentation: Ann Arbor, USA
• [Presentation] Direct Observation of the Soft-Mode Anharmonicity in SrTiO_3 (2011)
  • Author(s): I.Katayama
  • Organizer: International Conference on Luminescence (ICL'11)
  • Place of Presentation: Ann Arbor, USA
• [Presentation] Carrier Dynamics in Ultrathin Films of Semimetal Bismuth Studied with Terahertz Time-Domain Spectroscopy (2011)
  • Author(s): K.Yokota
  • Organizer: 36th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Place of Presentation: Houston, USA
• [Presentation] Time-resolved Measurements of Coherent Vibrations in Benzenethiol Adsorbed on Au (2011)
  • Author(s): K.Shudo
  • Organizer: 6th International Symposium on Surface Science
  • Place of Presentation: Tokyo