2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of novel photo-induced phase conversion materials based on quantum dynamics control of Charge-Structure-Spin-Photon coupled systems
| Project/Area Number |
18H05208
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
腰原 伸也 東京工業大学, 理学院, 教授 (10192056)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石川 忠彦 東京工業大学, 理学院, 助教 (70313327)
沖本 洋一 東京工業大学, 理学院, 准教授 (50356705)
東 正樹 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (40273510)
林 靖彦 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (50314084)
羽田 真毅 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70636365)
桑原 真人 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (50377933)
宮坂 等 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50332937)
石原 純夫 東北大学, 理学研究科, 教授 (30292262) [Withdrawn]
小野 淳 東北大学, 理学研究科, 助教 (40845848)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-23 – 2023-03-31
|
| Keywords | 光誘起相転移 / フェムト秒パルス電子線 / 量子ダイナミクス / 超高速ダイナミクス / 隠れた物質秩序 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、物質と光子が一体化した場で極短時間に発現する、光励起特有の新秩序状態(Hidden State)の特性や生成過程を、フェムト秒分光・電子線構造観測手法を用いて解明し、超高速可逆光相変換物質の開拓や新奇(光誘起マルチフェロイクス)物質の開拓に挑戦することを目的としている。2020年度は、開発した超短パルス電子線回折装置を本格的に物質開発に活用するという当初目標達成のために、電子線時間幅の圧縮と電子ビームの質的改善に集中的な努力を傾注した。これは、パルス電子線回折測定装置にスピン偏極線源を導入するための準備作業を兼ねたものとなった。本年度はSi単結晶など、フェムト秒時間分解光学測定などから、その構造変化の初期過程の具体的速さが測定されている物質を用いて、構造変化の初期過程を、構築した装置を用いて具体的に観測し、光学測定結果との比較を行い、約60fs以下のパルス幅となっていることを確認した。加えて、観測に必要な電子ビームパターン、強度を改善するために、電子レンズパラメータなどの当初設計からの変更作業にも集中的に取り組み、2021年度に予定している各種電子－格子強結合系無機物質の観測に向けた技術を確立した。これと同時に、スピン偏極電子線源の構築にも努力を傾け、実際に共同研究先の名古屋大学におけるピコ秒領域での評価実験装置で、当初予定通りの偏極度などが得られることを確認した。ただし、フェムト秒パルス電子線装置への組み込みは、新型肺炎の感染状況から名古屋大学チームの長期出張の見合わせが続いており、今後改善次第作業着手の予定である。一方、物質開発は順調に進行しており、特に電荷秩序を利用した、新しい電子型強誘電体の評価実験に成功し、電子型強誘電体の概念確立に至ることができた。そして、超短パルス光による分極制御など、fs構造変化観測に向けた準備実験に着手した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
まず、最大の予算を投入しているフェムト秒（fs）超短パルス電子線装置の作製に関しては、当初計画に沿って順調に進展し、設計仕様に合わせた自作部品に加え、各種機材(一部は自作)の準備を終え、実際の物質測定でパルス幅の見積もりを行うに至っている。とりわけ、Si単結晶など、フェムト秒時間分解光学測定などから、その構造変化の初期過程の具体的速さが予測されている物質を用いてのデモンストレーション実験からは、光学測定結果との比較検討から約70fs程度のパルス幅となっていることが確認され、ほぼ当初目的の装置性能となってることが確認された。またスピン偏極電子線源も、最終的な組み込み作業は新型肺炎の影響で現在待機状態であるものの、名古屋大学での準備評価装置では当初予定通りの偏極性能、光電子放出量が確認されており、この点もおおむね予定通り進行中である。加えてfs電子線回折観測に向けた物質準備実験として行った、遷移金属酸化物や有機誘電体の光機能開拓においても、昨年度までに達成したプロトン-π電子結合型有機誘電体の室温光制御、遷移金属酸化物における電荷-軌道の複合秩序を活かした負の熱 膨張特性の巨大化に続き、2020年度は電荷秩序を活用した電子型強誘電体物質の確立と、その超高速光応答を発見するに至った。この成果は、新しい強誘電体設計の枠組みをもたらすのみならず、新動作原理に基づく強誘電体の超高速光制御という視点でも、物質開発に新しい方向性をもたらすものとして、注目をされている。このように、新型肺炎の影響で、スピン偏極線源装置の組み込み作業で遅延がやむを得ず生じているが、装置全体としてはほぼ当初予定通りの性能のものが、具体的物質での運用開始に至っている。また電荷－格子結合材料系では、新原理の強誘電体創成とその光機能開拓という、想定外の新しい成果も生み出されており、研究はおおむね順調に進行中である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究は順調に進行中である。現在の物質開発、装置開発、理論開拓の枠組みでの運営は効果的に機能していると考えており、この3本柱の体制は今後も維持する予定である。
特に2021年度は、まず装置開発面では、新型肺炎の影響で若干遅れている、fsパルス電子線回折測定装置にスピン偏極線源を導入する作業に、出張など許容される範囲で最大限の努力を傾注する。このスピン偏極線源導入と並行し、電子線パルス幅の簡便な測定法として近年開発された、THｚ光励起による電子線変調測定法の準備作業を引き続き行う。現在、サブピコ秒パルス幅の準備実験装置を用いて、本パルス幅測定手法の導入と評価実験を行っており、今後、物質の励起光波長域をTHzまで拡張するためにも必要な技術として、準備実験装置での評価と改良が終わり次第、fs電子線回折装置にも本格的に導入する。
物質開発に関しては３年間の研究進展で、THｚ領域の励起光を用いて、新規強誘電体を中心に、量子光誘起相転移の発現とそれを利用した強誘電性の超高速制 御の達成に至ることができた。このTHｚ光への、応答過程での超高速構造変化の寄与の解明のためにはやはりＴＨｚ光の電子線回折装置への導入が必要不可欠であり、この点を今後集中的に取り組む予定である。これによって、フロッケ状態等のキーワードで理論的にも興味を集めている、THｚ電場による誘電性・磁性といった共同現象の超高速コヒーレント制御、という基礎・応用両面でインパクトのある展開を狙う。
理論面では、光誘起ダイナミクスは対象とする物質が有する自由度、相互作用に加えて、照射する光のパラメータ（周波数、強度、偏光、パルスの波形）に大きく依存した多様性を示すことに着目し、これまで蓄積した理論模型に基づいた計算による知見を生かし、実験に即した設定での計算を実行し、具体的実験データの物理的解釈を引き続き行う。
|
-
-
-
-
-
[Journal Article] Observation of novel charge ordering and spinreorientation in perovskite oxide PbFeO32021
Author(s)
X.Ye, J.Zhao, H.Das, D.Sheptyakov, J.Yang, Y.Sakai, H.Hojo, Z.Liu, L.Zhou, L.Cao, T.Nishikubo, S.Wakazaki, C.Dong, X.Wang, Z.Hu, H.-Ji Lin, C.-Te en, C. Sahle, A.Efiminko, H.Cao, S.Calder, K.Mibu, M.Kenzelmann, L.H.Tjeng, R.Yu, M.Azuma, C.Jin, Y.Long
-
Journal Title
NATURE COMMUNICATIONS
Volume: 12
Pages: 1917
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
[Journal Article] Polarization Rotation at Morphotropic Phase Boundary in New Lead-Free Na1/2Bi1/2V1-xTixO3 Piezoceramics2021
Author(s)
Zhao Pan, Mao-Hua Zhang, Takumi Nishikubo, Yuki Sakai, Hajime Yamamoto, Hajime Hojo, Masayuki Fukuda, Lei Hu, Hayato Ishizaki, Satoru Kaneko, Shogo Kawaguchi, Jurij Koruza, Jurgen Rodel, Masaki Azuma
-
Journal Title
ACS Appl. Mater. Interfaces
Volume: 13
Pages: 5208-5215
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
[Journal Article] Polarization- and Strain-Mediated Control of Negative Thermal Expansion and Ferroelasticity in BiInO3-BiZn1/2Ti1/2O32021
Author(s)
Takumi Nishikubo, Takahiro Ogata, Lalitha Kodumudi Venkataraman, Daniel Isaia, Zhao Pan, Yuki Sakai, Lei Hu, Shogo Kawaguchi, Akihiko Machida, Tetsu Watanuki, Hongwu Yu, Yoichi Okimoto, Shin-ya Koshihara, Shigeo Mori, Jurgen Rodel, Masaki Azuma
-
Journal Title
Chem. Mater
Volume: 33
Pages: 1498-1505
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Journal Article] Stabilized Charge, Spin, and Orbital Ordering by the 6s2 Lone Pair in Bi0.5Pb0.5MnO32020
Author(s)
Shogo Wakazaki, Takumi Nishikubo, Yuki Sakai, Kei Shigematsu, Hena Das, Depei Zhang, Qiang Zhang, Masaaki Matsuda, Masaki Azuma
-
Journal Title
Inorg. Chem.
Volume: 59
Pages: 13390-13397
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
-
[Journal Article] Emergence of a Cubic Phase Stabilized by Intermetallic Charge Transfer in (1-x)PbVO3-xBiCoO32020
Author(s)
Hajime Yamamoto, Kaoru Toda, Yuki Sakai, Takumi Nishikubo, Ikuya Yamada, Kei Shigematsu, Masaki Azuma, Hajime Sagayama, Masaichiro Mizumaki, Kiyofumi Nitta, Hiroyuki Kimura
-
Journal Title
Chem. Mater.
Volume: 32
Pages: 6892-6897
DOI
Peer Reviewed
-
[Journal Article] High-Brightness Red-Emitting Phosphor La3(Si,Al)6(O,N)11:Ce3+ for Next-Generation Solid-State Light Sources2020
Author(s)
Mitsuru Nitta , Nobuaki Nagao, Yuki Nomura, Taku Hirasawa, Yuki Sakai, Takahiro Ogata, Masaki Azuma, Shuki Torii, Toru Ishigaki, Yasuhisa Inada
-
Journal Title
ACS Appl. Mater. Interfaces
Volume: 12
Pages: 31652-31658
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
[Journal Article] Phonon transport probed at carbon nanotube yarn/sheet boundaries by ultrafast structural dynamics2020
Author(s)
M.Hada, K.Makino, H.Inoue, T.Hasegawa, H.Masuda, H.Suzuki, K.Shirasu, T.Nakagawa, T.Seki, J.Matsuo, T.Nishikawa, Y.Yamashita, Shin-ya Koshihara, V.Stolojan, S. Ravi, P.Silva, J.Fujita, Y.Hayashi, S.Maeda, M.Hase
-
Journal Title
Carbon
Volume: 170
Pages: 165-173
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
-
-
[Journal Article] Petahertz non-linear current in a centrosymmetric organic superconductor2020
Author(s)
Y. Kawakami, T. Amano, H. Ohashi, H. Itoh, Y. Nakamura, H. Kishida, T. Sasaki, G. Kawaguchi, H. M. Yamamoto, K. Yamamoto, S. Ishihara, K. Yonemitsu, and S. Iwai
-
Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 11
Pages: 4138
DOI
Peer Reviewed / Open Access
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] スピンクロスオーバー相転移を示す複合磁性材料における、 励起波長依存性をもった2つの光誘起状態2021
Author(s)
中野真之介, 石川忠彦, 田久保耕, 沖本洋一, 腰原伸也, 東亮介, 宮脇敦大, 高橋一志, 佐藤文菜, 一柳光平, 深谷亮
Organizer
第76回日本物理学会年次大会
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
