Optical control of electron-hole correlation in excitonic insulators

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H00659
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: Mizokawa Takashi 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90251397)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡村 英一 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (00273756) ; 岡崎 浩三 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40372528)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: エキシトニック絶縁体 / 時間分解光電子分光 / 圧力誘起相転移 / 光誘起相転移 / 電子正孔相関 / 擬ギャップ

Outline of Final Research Achievements

We have revealed the electronic structure of the excitonic insulator phase and associated semimetal and semiconducting phases by means of time- or space-resolved angle-resolved photoemission spectroscopy. In particular, we have shown that the photoinduced semimetal phase has quasi-one-dimesional hole and electron Fermi surfaces which are almost degenerate in the momentum space corresponding to a nodal-line semimetal. Around 50 fs after the pump light arrival, pseudogap is observed at the Fermi level while it disappears to be the semimetal state around 150 fs. By means of infra-red spectroscopy under pressure, all the excitonic insulator states were found to be semimetallic under pressure.

Free Research Field

固体物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

励起子絶縁体Ta2NiSe5は中赤外領域に直接バンドギャップを持つ。本研究課題では、励起子絶縁体から半金属への圧力誘起相転移とパルスレーザー光による100フェムト秒スケールの光誘起相転移のメカニズムを解明した。固体物理学分野で励起子絶縁体に関連する研究が流行しつつあり、この成果は先駆的研究としてインパクトを与えている。また、層状遷移金属カルコゲナイドであるTa2NiSe5では、MoS2などのように原子層結晶によるデバイス化も期待される。デバイス化に向けた研究は未成熟な段階ではあるが、励起子絶縁体が新しいタイプの光量子デバイスへと応用される可能性を秘めていることが本研究課題によって示された。