複素誘電率の直接測定によるコヒーレントフォノン生成機構の解明

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K05410
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: 岡野 泰彬 分子科学研究所, 技術課, 技術職員 (00393819)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鹿野 豊 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 特任准教授 (80634691)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: コヒーレントフォノン / 光物性 / 超短パルス光 / 誘電率 / 量子ダイナミクス

Outline of Annual Research Achievements

コヒーレントフォノンはフォノンダイナミクスを実験的に直接計測する方法として、半金属、半導体、超伝導物質など多くの物性研究に用いられている。しかし、複数の機構の混在が理論的に示唆されるなどコヒーレントフォノンの生成機構については必ずしも明確にはなっていないのが現状である。本研究では、これまでコヒーレントフォノン計測に用いられてきたフェムト秒過渡反射率測定法を拡張し、位相差計測法の開発と実証を行い複素誘電率変化の直接的測定を試みる。さらに、得られたデータより原子の変位を理論的に再構築することで、コヒーレントフォノン生成過程を原子の動きとして実験的に明らかにすることを目的としている。本研究は、測定装置の設計・製作およびデータの取得まで一貫した実験的研究を担う研究代表者の岡野と、測定データから原子の動きを再構築する理論部を担当する研究分担者の鹿野で研究体制を構築している。

平成28年度は、コヒーレントフォノン測定系の製作および位相差計測への拡張ユニットの光学素子の選定・購入を進めてきた。また、これまでに開発してきた光学系では拡張が難しいと分かったため、大きなブレッドボードに移設する作業を行っており、位相差計測の系と同時に実験系を構築していくこととした。また、コヒーレントフォノンの生成・検出過程に関する理論を構築し、実験系にフィードバック出来る形とした。位相差の観点に注目し、理論を更に発展していくことが予定されている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成28年度は、コヒーレントフォノン測定系の製作と位相差測定系の拡張ユニットの開発を進めてきた。とくに、高精度・高安定にフォノンの励起タイミングを制御できるピエゾモーターステージと、白色干渉を利用した位相差計測に用いる高速遅延操作用のピエゾリニアステージを新規に導入し系の構築を進めている。理論的には、瞬間誘導ラマン散乱によるコヒーレントフォノン生成および検出方法に関する理論を整備するに至った。この理論を検証するために東京工業大学科学技術創成研究院の中村研究室と共同し、ダイヤモンドにおけるコヒーレントフォノン現象との対応関係について議論を行い、学術論文としてその結果をまとめ、Physical Review Bに掲載された。また、検出の観点にも着眼した論文を現在、執筆中である。

Strategy for Future Research Activity

今後は白色干渉による位相差計測の実証を進め、コヒーレントフォノン測定系に応用していく。また、測定室内の空調によるノイズが観測されており、この対策として測定系全体を囲う工夫を検討している。理論的には、位相差計測の理論を構築することにより、どのような測定が必要であるかの検討を行っていく。

Causes of Carryover

購入したピエゾモーターステージシステムは、当初予定した購入価格より安価に購入できたため、当該年度の予算が余ることとなった。位相差測定を行う上で、光学素子による位相をサンプル直前において消去する必要が生じてきた。この問題に対応する研究資金として次年度使用額が生じたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成28年度に測定系の問題として生じてきたパルスレーザーの分散補償光学系の構築ため、平成29年度は複数の光学素子を追加購入する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Spectrally resolved detection in transient-reflectivity measurements of coherent optical phonons in diamond (2016)
  • Author(s): Kazutaka G. Nakamura, Kazuma Ohya, Hiroshi Takahashi, Tetsuya Tsuruta, Hiroya Sasaki, Shin-ichi Uozumi, Katsura Norimatsu, Masahiro Kitajima, Yutaka Shikano, and Yosuke Kayanuma
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Pages: 024303-1,7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.024303
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant