超短パルス軟Ｘ線分光法によるディラックフェルミオンの超高速ダイナミクスの研究

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15J11895
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 染谷 隆史 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Keywords: グラフェン / キャリアダイナミクス / 超高速現象 / 時間分解光電子分光法 / 電荷移動ダイナミクス / ディラック電子系

Outline of Annual Research Achievements

グラフェンは炭素からなる二次元物質であり、質量ゼロのディラック電子に起因する特異な物性を示すことから、シリコンを超える光デバイス材料として注目を集めている。デバイス応用としては、例えば、超高速光検出器やTHz帯レーザー光源、透明電極膜などが挙げられ、一部はすでに実用化されるなど、非常に有望な物質である。一方で、その動作の基礎となるグラフェンの光励起キャリアダイナミクスに関して統一的な理解がなされていないなど、まだ未解決の問題も多い。これはグラフェンキャリアの緩和の過程において、構造欠陥や基板との散乱に起因する外因的な緩和過程と、電子-フォノン散乱などの内因的な緩和過程の両者が競合して関与しており、グラフェンにおける本質的なキャリア緩和の情報が覆い隠されているためである。
そこで、当該年度における研究では炭化ケイ素上に高品質なグラフェン試料を作成し、外因的な欠陥散乱の影響を極力排除することで、グラフェン本来のキャリアダイナミクスを観測することを試みた。測定には超短パルスレーザーを用いることで、フェムト秒（千兆分の一秒）という極めて短い時間スケールで光励起キャリアが緩和していく過程を追跡した。その結果、我々はこれまでの報告よりも長いキャリア寿命を観測することに成功した。また、その中から本質的なキャリア緩和の情報を抽出すべく、理論モデルによる解析を行った。解析結果からは欠陥散乱が大幅に抑制されていることが示され、その結果、これまで観測が困難であった光学フォノンの非調和崩壊、ディラック点における緩和のボトルネック効果など、グラフェンキャリアの本質的な緩和過程を抽出することに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

超短パルスレーザーを用いた時間分解光電子分光法により、グラフェンにおける光励起キャリアの緩和過程の解明に成功した。この成果は学会・シンポジウム発表、国際誌での論文発表など、数々の成果発表に繋がった。そのため、当該年度は本研究テーマの目標の一つである「グラフェンにおける光励起キャリアの超高速ダイナミクスの研究」に関して大きな進展があったと判断する。

Strategy for Future Research Activity

グラフェンのキャリアダイナミクスの総合的な理解を目指すべく、今後は放射光によるグラフェン-基板間の電荷移動ダイナミクスを明らかする。特にグラフェンは太陽電池などへの透明電極膜としても有望な材料であり、半導体からグラフェンへの電荷移動ダイナミクスの知見が求められている。この場合、ダイナミクスの時間スケールはピコ秒からマイクロ秒と広範囲に渡るため、レーザーにおいてピコ秒からナノ秒のダイナミクスを、放射光においてナノ秒からマイクロ秒のダイナミクスを相補的に組み合わせて研究する。そして最終的には、これまでの研究と合わせてフェムト秒からマイクロ秒の実に9桁も異なる時間スケールで起こるグラフェンの光励起キャリアダイナミクスの完全解明を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Ultrafast melting of spin density wave order in BaFe2As2 observed by time- and angle-resolved photoemission spectroscopy with extreme-ultraviolet higher harmonic generation (2017)
  • Author(s): Suzuki H.、Okazaki K.、Yamamoto T.、Someya T.、Okada M.、Koshiishi K.、Fujisawa M.、Kanai T.、Ishii N.、Nakajima M.、Eisaki H.、Ono K.、Kumigashira H.、Itatani J.、Fujimori A.、Shin S.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Pages: 165112
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.165112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression of supercollision carrier cooling in high mobility graphene on SiC( 000-1 ) (2017)
  • Author(s): Takashi Someya, Hirokazu Fukidome, Hiroshi Watanabe, Takashi Yamamoto, Masaru Okada, Hakuto Suzuki, Yu Ogawa, Takushi Iimori, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Keiichiro Tashima, Baojie Feng, Susumu Yamamoto, Jiro Itatani, Fumio Komori, Kozo Okazaki, Shik Shin, and Iwao Matsuda
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Pages: 165303
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.165303
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proving Nontrivial Topology of Pure Bismuth by Quantum Confinement (2016)
  • Author(s): S. Ito, B. Feng, M. Arita, A. Takayama, R.-Y. Liu, T. Someya, W.-C. Chen, T. Iimori, H. Namatame, M. Taniguchi, C.-M. Cheng, S.-J. Tang, F. Komori, K. Kobayashi, T.-C. Chiang, and I. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 117 Pages: 236402
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.236402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarization dependence of resonant magneto-optical Kerr effect measured by two types of figure-8 undulators (2016)
  • Author(s): Y. Kubota, Sh. Yamamoto, T. Someya, Y. Hirata, K. Takubo, M. Araki, M. Fujisawa, K. Yamamoto, Y. Yokoyama, M. Taguchi, S. Yamamoto, M. Tsunoda, H. Wadati, S. Shin, and I. Matsuda
  • Journal Title: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2016.11.008
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 軟X線時間分解光電子分光法によるグラフェン/SiC界面の電荷移動ダイナミクスの研究 (2017)
  • Author(s): 染谷隆史、吹留博一、山本達、遠藤則史、松田巌
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] Charge transfer dynamics at graphene/SiC interface studied by time-resolved soft X-ray photoemission spectroscopy (2017)
  • Author(s): 染谷隆史、吹留博一、山本達、遠藤則史、松田巌
  • Organizer: 第52回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学 伊藤国際学術研究センター 伊藤謝恩ホール（東京都文京区）
  • Year and Date: 2017-03-01 – 2017-03-03
• [Presentation] 軟 X 線時間分解光電子分光法によるグラフェン/SiC界面の電荷移動ダイナミクスの研究 (2017)
  • Author(s): 染谷隆史、吹留博一、山本達、遠藤則史、松田巌
  • Organizer: 第30回日本放射光学会年会
  • Place of Presentation: 神戸芸術センター（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2017-01-07 – 2017-01-09
• [Presentation] グラフェンにおける二次元Dirac-Fermionの超高速キャリアダイナミクス (2016)
  • Author(s): 染谷隆史、吹留博一、渡邊浩、岡田大、小川優、山本貴士、飯盛拓嗣、田島圭佑、山本達、小森文夫、 岡崎浩三、辛埴、松田巌
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 時間分解光電子分光法によるグラフェン/SiC(000-1)の超高速キャリアダイナミクスの直接観測 (2016)
  • Author(s): 染谷隆史、吹留博一、渡邊浩、山本貴士、岡田大、鈴木博人、小川優、飯盛拓嗣、 石井順久、金井輝 人、田島圭佑、Baojie Feng、山本達、板谷治郎、小森文夫、岡崎浩三、辛埴、松田巌
  • Organizer: 第51回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センター かでる2・7（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-09