高強度テラヘルツSTMによるナノ空間超高速物性制御

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17J05234
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 吉岡 克将 横浜国立大学, 工学府, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2019-03-31
• Keywords: テラヘルツ / 走査型トンネル顕微鏡 / 超高速分光 / ナノフォトニクス / ナノエレクトロニクス

Outline of Annual Research Achievements

高強度の超短光パルスが物質とコヒーレントに相互作用する場合、重要な役割を担うのが、光パルスのキャリアエンベロープ位相(CEP)である。実際、CEPが積極的に制御されたレーザーパルスを用いることにより、化学反応や電子運動の超高速制御が実現されている。もしこのレーザーパルスを光の回折限界を大きく超えて集光することができれば、上記の超高速制御を単一分子や原子レベルで行うことが可能となる。そこで研究代表者は、CEP制御テラヘルツ走査型トンネル顕微鏡(THz-STM)を開発することにより、ナノ空間においてトンネル電子の超高速実空間制御を達成した。この技術をさらに発展させ、ナノ空間かつ超高速で物質を自在に操るためには、トンネル接合において形成されるTHz近接場を実験的に明らかにし、更には制御する手法の開拓が必要不可欠である。本研究では、THz-STMとCEP変調器を組み合わせることによりTHz近接場の実験的導出を初めて可能にした。さらに、THz波が駆動するトンネル電子のダイナミクスを明らかにするため、新たにTHz波のダブルパルスを発生させる光学系を構築した。これにより、THz波のダブルパルスの時間間隔とCEPを変化させることによって数十フェムト秒の分解能で時間分解計測を行うことが可能となった。さらに、金ナノ構造のイメージングを行うことによって、開発したTHz-STMの空間分解能が1 ナノメートルに達することが明らかになった。以上により、自在に波形の制御されたTHz近接場を利用し、数十フェムト秒の時間分解能かつ1 ナノメートルの空間分解能で電子や物質を制御することのできる装置が完成した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度の研究計画は、
１、THz波のダブルパルスを発生させる光学系を構築すること
２、これまで試料として用いてきた金属以外の系で電子運動の振る舞いを調べること
であった。１に関してはダブルパルスを発生させる光学系の構築に成功しただけでなく、THz波のCEPを完全に制御することが可能になったため、自在なTHz近接場を創り出すことが可能になった。これにより、超高速かつナノ空間で物性を制御するという本研究の目標達成が大幅に近づいた。２に関しては、金属以外の試料において興味深い電子の振る舞いを観測しており、今後その詳細を明らかにしていく予定である。
以上より、本研究は当初の計画以上に進展していると結論づけることができる。

Strategy for Future Research Activity

これまで走査型トンネル顕微鏡は大気中下で運用してきたが、新たに超高真空下で動作するTHz-STMを構築することで、安定性や空間分解能の大幅な向上を目指す。これにより、原子分解能での超高速物性制御が可能になると考えられる。その上で、探針増強電場を利用した物質の相変化などの制御を目指す予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Rice University/Argonne National Laboratories/Purdue University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Rice University/Argonne National Laboratories/Purdue University
• [Journal Article] Nanoscale electron manipulation in metals with intense THz electric fields (2018)
  • Author(s): Takeda Jun、Yoshioka Katsumasa、Minami Yasuo、Katayama Ikufumi
  • Journal Title: Journal of Physics D: Applied Physics Volume: 51 Pages: 103001～103001
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aaa8c7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vacuum Bloch-Siegert shift in Landau polaritons with ultra-high cooperativity (2018)
  • Author(s): Li Xinwei、Bamba Motoaki、Zhang Qi、Fallahi Saeed、Gardner Geoff C.、Gao Weilu、Lou Minhan、Yoshioka Katsumasa、Manfra Michael J.、Kono Junichiro
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1038/s41566-018-0153-0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coherent Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Carrier-Envelope Phase Controlled THz Electric Fields (2017)
  • Author(s): Yoshioka Katsumasa、Katayama Ikufumi、Arashida Yusuke、Minami Yasuo、Kitajima Masahiro、Yoshida Shoji、Shigekawa Hidemi、Takeda Jun
  • Journal Title: Nonlinear Optics OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017) Volume: － Pages: －
  • DOI: 10.1364/NLO.2017.NW2A.3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高強度テラヘルツ波によるナノ空間電子制御 (2017)
  • Author(s): 武田淳、片山郁文、吉岡克将
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 52 Pages: 439~446
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 単一トンネル接合における THz近接場を用いたサブサイクル電子制御 (2018)
  • Author(s): 吉岡克将、伴篤彦、片山郁文、嵐田雄介、河田陽一、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Coherent Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Carrier-Envelope Phase Controlled THz Electric Fields (2017)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Yusuke Arashida, Yasuo Minami, Masahiro Kitajima, Shoji Yoshida, Hidemi Shigekawa, and Jun Takeda
  • Organizer: 2017 Nonlinear Optics (2017 NLO)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sub-cycle THz control of electrons in a tunnel junction with a carrier-envelope phase shifter (2017)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Atsuhiko Ban, Yusuke Arashida, Yoichi Kawada, Hironori Takahashi, and Jun Takeda
  • Organizer: 8th International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano 8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sub-cycle control of THz near-field and electrons in a single tunnel junction (2017)
  • Author(s): Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Atsuhiko Ban, Yusuke Arashida, Yoichi Kawada, Hironori Takahashi, and Jun Takeda
  • Organizer: Gordon Research Conference and Seminar (GRC/S) Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] キャリアエンベロープ位相制御テラヘルツパルスによるトンネリング電子制御 (2017)
  • Author(s): 伴篤彦、吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、河田陽一、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 単一トンネル接合における THz近接場の制御 (2017)
  • Author(s): 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴篤彦、河田陽一、髙橋宏典、武田淳
  • Organizer: 第28回光物性研究会
• [Patent(Industrial Property Rights)] トンネル電流制御装置およびトンネル電流制御方法 (2017)
  • Inventor(s): 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Holder: 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2017-160104
• [Patent(Industrial Property Rights)] トンネル電流制御装置およびトンネル電流制御方法 (2017)
  • Inventor(s): 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Holder: 河田陽一,高橋宏典,武田淳,片山郁文,嵐田雄介,吉岡克将
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2017-160107