グラフェン関連物質の電子・格子結合ダイナミクスとナノ空間フォノン波束の高感度検出

• Project Area: Materials Design through Computics: Complex Correlation and Non-equilibrium Dynamics
• Project/Area Number: 25104712
• 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: 武田 淳 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60202165)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2014: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2013: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: コヒーレントフォノン / 局所電場増強 / カーボンナノチューブ / グラフェン / ナノカーボン物質 / 電子・格子相互作用 / フォノン波束

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、本研究室オリジナルの超高速レーザー分光技術を駆使し、グラフェンを代表とするカーボン系ナノ物質、強誘電体などの電子・格子結合ダイナミクス及びフォノン波束伝播を明らかにすることを目指した。具体的には、（1）グラフェン表面におけるナノスケール光学フォノン波束の伝播の解明、（2）金属型カーボンナノチュ－ブ（CNT）の高周波コヒーレントフォノン検出と共鳴効果の解明、（3）グラフェン関連物質として半金属Biの高強度テラヘルツ電場による非線形光学応答の解明などを行った。
グラフェンにおいては、金ナノ微粒子による表面電場増強により、グラフェン表面上のエッジ・欠陥に伴うディラック・コーン散乱を高感度に誘起し、ナノスケールのDモードフォノン波束を生成できることを見出した。
金属型CNTにおいては、サブ10フェムト秒レーザーによる広帯域波長分解コヒーレントフォノン分光を実行し、RBMモードとともに80～96 THzという世界トップデータとなる高周波フォノンモード（2D、2Gモード）の検出に成功した。CNTが持つ共鳴エネルギーから、フォノンのエネルギー分だけ離れたところで各モード（例えばG、2D）が高強度で検出されることを見出した。また、バイアスを印加することで、Gモードや2Dモードにピークシフトが生じることを見出し、コーン異常による電子格子相互作用とパウリブロッキングを考えることで説明できることを示した。
ディラック的バンド分散を持つ半金属Biにおいては、高強度テラヘルツ波により、伝導電子がバンド分散に沿って相対論的加速を受け、電子の有効質量が約3倍にも大きくなることを見出した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Terahertz-field-induced Nonlinear Electron Delocalization in Au Nanostructures (2015)
  • Author(s): K. Yoshioka, Y. Minami, K. Shudo, T. D. Dao, T. Nagao, M. Kitajima, J. Takeda, and I. Katayama
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 15 Issue: 2 Pages: 1036-1040
  • DOI: 10.1021/nl503916t
  • NAID: 120005714807
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrochemical Control of Coherent Phonon Generations in Single-walled Metallic Carbon Nanotubes (2015)
  • Author(s): K. Maekawa, K. Sato, Y. Minami, I. Katayama, J. Takeda, K. Yanagi, and M. Kitajima
  • Journal Title: Ultrafast Phenomena XIX: Proceedings of the 19th International Conference on Ultrafast Phenomena Volume: 162 Pages: 356-359
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Broadband Pump-Probe Imaging Spectroscopy Applicable to Ultrafast Single-Shot Events (2014)
  • Author(s): Y. Minami, M. Yamaki, I. Katayama and J. Takeda
  • Journal Title: Appl. Phys. Exp. Volume: 7 Issue: 2 Pages: 22402-22402
  • DOI: 10.7567/apex.7.022402
  • NAID: 120005429820
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Crystalline-to-Amorphous Phase Transition in Ge2Sb2Te5 Chalcogenide Alloy Thin Film Using Single-Shot Imaging Spectroscopy (2014)
  • Author(s): J. Takeda, W. Oba, Y. Minami, T. Saiki and I. Katayama
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 104 Issue: 26
  • DOI: 10.1063/1.4886969
  • NAID: 120005464758
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nonlinear Electron Dynamics of Gold Ultrathin Films Induced by Intense Terahertz Waves (2014)
  • Author(s): Y. Minami, J. Takeda, T. D. Dao, T. Nagao, M. Kitajima, and I. Katayama
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 105 Issue: 24
  • DOI: 10.1063/1.4904883
  • NAID: 120005549811
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Resonant Enhancement of First- and Second-Order Coherent Phonons in Metallic Single-Walled Carbon Nanotubes (2014)
  • Author(s): K. Sato, K. Tahara, Y. Minami, I. Katayama, M. Kitajima, H. Kawai, K. Yanagi, and J. Takeda
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 90 Issue: 23 Pages: 235435-235435
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.235435
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] テラヘルツ時間領域分光法による薄膜・表面の物性評価 (2014)
  • Author(s): 片山郁文、南 康夫、武田 淳
  • Journal Title: 表面科学 Volume: 35 Pages: 680-685
  • NAID: 130004785028
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Intermolecular THz Vibrations Relevant to Optically and Thermally Induced Magnetic Phase Transitions in the Strongly Correlated Organic Radical TTTA (2014)
  • Author(s): T. Kawano, I. Katayama, J. Ohara, M. Ashida and J. Takeda
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 83 Issue: 1 Pages: 0147131-6
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.014713
  • NAID: 40019944941
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent Phonon and Surface-Enhanced Raman Scattering Dynamics in Solids (2014)
  • Author(s): J. Takeda, I. Katayama, K. Shudo and M. Kitajima
  • Journal Title: J. Lumin. Volume: 152 Pages: 23-27
  • DOI: 10.1016/j.jlumin.2014.01.058
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Single-Shot Measurement of a Terahertz Electric-Field Waveform Using a Reflective Echelon Mirror (2013)
  • Author(s): Y. Minami, Y. Hayashi, J. Takeda and I. Katayama
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 103 Issue: 5 Pages: 51103-51103
  • DOI: 10.1063/1.4817011
  • NAID: 120005429821
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent nanoscale optical-phonon wave packet in graphene layers (2013)
  • Author(s): I. Katayama, K. Sato, S. Koga, J. Takeda, S. Hishita, H. Fukidome, M. Suemitsu, and M. Kitajim
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 88 Issue: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.245406
  • Peer Reviewed
• [Presentation] コヒーレントフォノン分光法によるカーボンナノチューブ混合溶液のカイラリティ同定 (2015)
  • Author(s): 許 人杰、片山郁文、南 康夫、北島正弘、柳 和宏、武田 淳
  • Organizer: 日本応用物理学会春季学術講演会2015
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Year and Date: 2015-03-24
• [Presentation] 波長分解コヒーレントフォノン分光法を用いたカーボンナノチューブのカイラリティ同定 (2015)
  • Author(s): 許 人杰、南 康夫、柳 和宏、北島正弘、片山郁文、武田 淳
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-24
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いたシングルショット時間・周波数2次元分光 (2015)
  • Author(s): 武田 淳
  • Organizer: 第26回先端光量子科学アライアンスセミナー
  • Place of Presentation: 慶應大学
  • Year and Date: 2015-03-19
  • Invited
• [Presentation] Fermi Energy Dependence of High-Frequency Coherent Phonons in Metallic Carbon Nanotubes (2014)
  • Author(s): I. Katayama, K. Maekawa, K. Sat, Y. Minami, K. Yanagi, M. Kitajima and J. Takeda
  • Organizer: Internatinal Symposium on Computics: Quantum Simulation and Design (ISC-QSD2014)
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2014-12-01 – 2014-12-03
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた超高速シングルショット時間・周波数イメージング (2014)
  • Author(s): 片山郁文、南 康夫、武田 淳
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会2014
  • Place of Presentation: 筑波大学東京キャンパス文京校舎
  • Year and Date: 2014-11-06
  • Invited
• [Presentation] THz-Pump/THz-Prob分光法による半金属ビスマスの非線形キャリア応答 (2014)
  • Author(s): 荒木光太郎、南 康夫、Thang Duy Dao、長尾忠昭、武田 淳、北島正弘、片山郁文
  • Organizer: 2014年第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-20
• [Presentation] 波長分解コヒーレントフォノン分光法によるラマン励起スペクトルの導出 (2014)
  • Author(s): 片山郁文、Maria Fernanda Avila、南 康夫、 武田 淳、北島正弘
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-10
• [Presentation] Electrochemical Control of Coherent Phonon Generations in Single-walled Metallic Carbon Nanotubes (2014)
  • Author(s): K. Maekawa, K. Sato, Y. Minami, I. Katayama, J. Takeda, K. Yanagi, M. Kitajima
  • Organizer: 19th International Conference on Ultrafast Phenomena
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-07-07 – 2014-07-11
• [Presentation] 強誘電体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 (2014)
  • Author(s): 武田 淳、南 康夫、片山郁文
  • Organizer: 第34回レーザー学会
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場
  • Invited
• [Presentation] 金属型カーボンナノチューブにおける高周波コヒーレントフォノン (2014)
  • Author(s): 佐藤健次、田原佳祐、南 康夫、片山郁文、武田 淳、柳 和宏、北島正弘
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた強誘電体LiNbO3フォノンポラリトンの時間領域二次元ラマン分光II (2014)
  • Author(s): 塩沢 優、池谷優樹、南 康夫、片山郁文、武田 淳
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学
• [Presentation] Single-Shot Time-Frequency Mapping of Coherently Controlled Phonon-Polariton Propagations in Ferroelectric LiNbO3 (2013)
  • Author(s): J. Takeda, Y. Ikegaya, H. Sakaibara, Y. Minami and I. Katayama
  • Organizer: International Workshop on Optical Terahertz Science and Technoogy (OTST 2013)
  • Place of Presentation: 京都テルサ
• [Presentation] Nanoscale and Femtosecond Phonon Dynamics Observed with Surface Enhanced Raman Scattering (2013)
  • Author(s): I. Katayama, K. Shudo, J. Takeda and M. Kitajima
  • Organizer: Ultrafast Surface Dynamics 2013
  • Place of Presentation: コロラド（米国）
  • Invited
• [Presentation] Coherent Phonon and Surface-Enhanced Raman Scattering Dynamics in Solids (2013)
  • Author(s): J. Takeda, I. Katayama, K. Shudo and M. Kitajima
  • Organizer: 18th International Conference on Dynamical Processes in Excited States of Solids
  • Place of Presentation: 福州（中国）
  • Invited
• [Presentation] カーボンナノチューブにおける高周波コヒーレントフォノンのフェルミエネルギー依存性 (2013)
  • Author(s): 佐藤健次、田原佳祐、南 康夫、片山郁文、武田 淳、柳 和宏、北島正弘
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学
• [Presentation] GeSbTeにおける光誘起相変化のシングルショット実時間イメージング (2013)
  • Author(s): 大庭 航、片山郁文、南 康夫、斎木敏治、武田 淳
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学
• [Presentation] 反射型エシェロンを用いた強誘電体LiNbO3フォノンポラリトンの時間領域二次元ラマン分光 (2013)
  • Author(s): 片山郁文、塩沢 優、池谷優樹、南 康夫、武田 淳
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学
• [Remarks] 武田・片山・南研究室
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/
• [Remarks] YNU研究拠点：光ナノ計測研究拠点
  • URL: http://www.laser-nanoscience.ynu.ac.jp/ja/
• [Remarks] 武田・片山・南研究室
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/
• [Remarks] YNU研究拠点：光ナノ計測研究拠点
  • URL: http://www.laser-nanoscience.ynu.ac.jp/ja/