2018 Fiscal Year Annual Research Report
テラヘルツ高強度場物理を基盤とした非線形フォトエレクトロニクスの新展開
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17H06124
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 耕一郎 京都大学, 理学研究科, 教授 (90212034)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳 和宏 首都大学東京, 理学研究科, 教授 (30415757)
片山 郁文 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80432532)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 高次高調波 / 極端非線形分光 / 二次元カルコゲナイド系 / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者 田中は、遷移金属カルコゲナイド単層結晶の高次サイドバンド発生において、円偏光励起だけでなく直線偏光励起においても、動的対称性の概念を用いて偏光選択則が説明できることを明らかにした。いくつかの金属状態の固体においても高次高調波発生の計測を行い、非摂動論的振る舞いを確認するとともに、金属状態共通の特性が存在することを見出した。また、研究分担者 柳と協力して、フェルミレベルを調整した(6,5)単層カーボンナノチューブにおいて、高次高調波発生の実験を行い、フェルミレベル依存性を明らかにした。さらにZnSe結晶において、高次高調波発生が非摂動論的振る舞いを示す領域でのコヒーレントフォノン生成の研究を行った。その結果、コヒーレントフォノン生成の効率は高強度領域で飽和の傾向を示すことがわかった。
研究分担者 柳は、系統的に電子構造を改変した単層カーボンナノチューブおよびフェルミレベルを調整した(6,5)単層カーボンナノチューブにおいて、高次高調波発生と電子構造との関係、またフェルミレベル依存性を明らかにした。また、配列した金属型単層カーボンナノチューブ、およびラテラルへテロ構造を形成した二次元カルコゲナイド系における高次高調波発生についての基礎的知見を得た。
研究分担者 片山は2017年度に構築した超高真空走査トンネル顕微鏡(STM)装置を改良し、可動式のテラヘルツ用レンズを導入することによって、STM探針へと赤外光、及びテラヘルツ光の照射を可能とした。また、層状物質の一つである相変化材料Ge2Sb2Te5において表面状態を観測するための条件を検討し、原子分解能の像を得ることに成功した。これらと並行してグラフェンにおける超高速の電子＝電子散乱過程を解明するための実験を行い、初期緩和が10 fs以内でDirac電子状態の法線方向に起こることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
予定通り遷移金属カルコゲナイドの高次高調波発生の研究を進め、角度依存性や励起強度依存性、偏光依存性から発生メカニズムに関わる重要な知見をえた。 金属的性質をもつ材料に共通に見出される系統性を見出すとともに、高次サイドバンド生成の偏光選択則が動的対称性によって説明できることを示せたのは大きな進展である。それに加え、分担者との協力で、電場誘起トランジスタ構造をもつデバイス構造においてキャリア数を変えた時の高調波発生効率の次数依存性を得ることに成功したことは特筆に値する成果である。以上から、当初の計画以上に研究が進行していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者（田中）は、キャリアエンべロープ位相(CEP)光源と10 fs以下の超短パルス光源を持いた極端非線形光学の実験を推進する。特に、ナノ構造や１次元異方性をもつ材料、CDWなどの秩序をもつ材料における高次高調波発生の実験を行う。また、分担者（柳）と協力して、キャリア密度を広範囲に変化させた時の極端非線形光学過程の振る舞いを明らかにする。引き続き、温度依存性、楕円偏光度依存性、CEP依存性の研究を進め、高次高調波発生に対する緩和の効果や偏光選択則に関する知見を得る。
分担者（柳）は、2018年度までに一次元電子系である単層カーボンナノチューブを用いて、高次高調波発生のキャリア注入依存性を解き明かすことに成功した。極端非線形光学領域をゲーティングにより制御できることを突き止めた。今年度は、その成果に基づいて、二次元電子系の金属的性質を持つグラフェンや半導体的性質を持つ遷移金属ダイカルコゲナイドを対象に、固体ゲートを用いた高次高調波発生のゲート依存性の解明を行う。また、単層カーボンナノチューブ配列膜や、遷移金属カルコゲナイド系のヘテロ構造における高次高調波発生と構造・電子構造との関係解明の研究を進める。
分担者（片山）は、2018年度までに構築した、超高真空のテラヘルツSTM装置を用いて、金属ポイントコンタクトにおける光・テラヘルツ波誘起の極端非線型現象の解明を目指した実験を行う。そのために、Ge2Sb2Te5やグラフェンをはじめとした層状物質のナノスケール、超高速分光を行い、光・テラヘルツ波による電子や構造のダイナミクスをナノスケールから解明する。更に高次高調波とナノスケールダイナミクスの関連を調べるために中赤外パルス励起の共同研究実験の検討を進める。
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Research Products
(86 results)
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[Journal Article] Lattice phonon modes of the spin crossover crystal [Fe(phen)2(NCS)2] studied by THz, IR, Raman spectroscopies and DFT calculations2019
Author(s)
Eric Collet, Giovanni Azzolina, Tomoaki Ichii, Laurent Guerin, Roman Bertoni, Alain Morテゥac, Marco Cammarata, Nathalie Daro, Guillaume Chastanet, Jacek Kubicki, Koichiro Tanaka, and Samir F. Matar
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Journal Title
Eur. Phys. J. B
Volume: 92
Pages: 12
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Ultrafast Control of Ferroelectricity with Dynamical Repositioning of Protons in a Supramolecular Cocrystal Studied by Femtosecond Nonlinear Spectroscopy2019
Author(s)
Tsugumi Umanodan, Keisuke Kaneshima, Kengo Takeuchi, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Hideki Hirori, Yasuyuki Sanari, Koichiro Tanaka, Yoshihiko Kanemitsu, Tadahiko Ishikawa, Shin-ya Koshihara, Sachio Horiuchi, Yoichi Okimoto
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 88
Pages: 013705
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Zener tunneling breakdown in phase-change materials revealed by intense terahertz pulses2018
Author(s)
Yasuyuki Sanari, Takehiro Tachizaki, Yuta Saito, Kotaro Makino, Paul Fons, Alexander V. Kolobov, Junji Tominaga, Koichiro Tanaka, Yoshihiko Kanemitsu, Muneaki Hase, and Hideki Hirori
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 121
Pages: 165702
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Coherent Terahertz Excitation of Magnons to 30 T2018
Author(s)
G. T. Noe, X. Li, J. A. Horowitz, K. Yoshioka, F. Katsutani, N. Yuan, M. Xiang, K. Xu, Z. Jin, S. Cao, H. Nojiri, I. Katayama, J. Takeda, D. Turchinovich, and J. Kono
Organizer
The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2018)
Int'l Joint Research
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