2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19H02621
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
戸田 泰則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小田 研 北海道大学, 理学研究院, 教授 (70204211)
土屋 聡 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80597633)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光渦 / トポロジカル光波 / 高温超伝導 / 光誘起相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではビーム断面に特異点を有する光渦の空間特異性（強度暗点や暗点周りの急峻な強度分布、方位方向に勾配を持つ位相分布など）を超伝導の光誘起相制御に対して活用し、従来のレーザー光波では実現困難な時空間で変調された準安定電子状態を創出するとともに、相制御のもたらす新規物性および新機能を開拓することを目的として研究を進めている。
昨年度までに研究計画の基盤となる光誘起超伝導相抑圧とその応答検出を意図的に空間変調されたビスマス系銅酸化物高温超伝導体（Bi2212）試料に対して実施した。超伝導転移温度以上に残る不完全ギャップ構造（擬ギャップと呼ばれる）が、空間的な秩序攪乱（ディスオーダー）の増加に伴って発達すること、および光励起による擬ギャップの飽和しきい値が増加することを見出した。今年度はさらに超伝導転移温度近傍で観測される擬ギャップ応答変化が、ディスオーダーの増加に応じて緩和することを系統的観測から明らかにし、超伝導との相互作用が空間不均化に応じて相対的に弱まることを指摘した。並行して光誘起相制御への展開を目的とした3パルス型のポンププローブ分光の開発に取り組み、擬ギャップを相抑圧パルスで飽和させた際に現れる超伝導秩序再形成および対称性変化の特徴的な時間遅延相関を見出した。この結果は擬ギャップの発達する条件が超伝導形成に対しても有利に働くことを示唆している。擬ギャップは銅酸化物高温超伝導体に特徴的な電子状態であり、超伝導発現機構解明の鍵を握っている。バルク特性を反映する光励起ダイナミクスの観点から、擬ギャップ形成に対する空間不均化の寄与、超伝導秩序再形成に対する相関特性、を明らかにした点で重要な成果であると考える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度までに研究計画の基盤となる光誘起超伝導相抑圧とその応答検出をビスマス系高温超伝導体（Bi2212）試料に対して実施し、合わせて光渦を相抑圧パルス（相制御パルス）として導入した3パルス型のポンププローブ分光を構築した。Bi置換により系統的に空間秩序を低下させた最適ドープ試料に対し、擬ギャップの発達と飽和しきい値の増加、および超伝導転移温度近傍における特徴的な応答変化を見出した。特に今年度はこの応答変化がディスオーダーの増加に応じて緩和することを突き止め、超伝導との相互作用が空間不均化に応じて相対的に弱まる可能性を指摘した。また擬ギャップを相抑圧パルスで飽和させた際に現れる超伝導秩序再形成および対称性変化の特徴的な時間遅延相関を見出し、超伝導秩序形成に対する空間不均化の重要性を明らかにした。光渦の空間特異性を直接反映した結果ではないが、超伝導の空間特性に依存する特異的振る舞いと位置付けられることから、目的とする時空間で変調された準安定電子状態の観測に成功したと言える。以上の進捗状況を踏まえ、本研究課題は順調に進んでいると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに計画の基盤となる光誘起超伝導相抑圧とその応答解析をビスマス系高温超伝導体（Bi2212）試料に対して実施し、結果にもとづいて光渦を相抑圧パルス（相制御パルス）とする3パルス型のポンププローブ分光を構築した。高温超伝導体の特徴的な電子状態である擬ギャップに対し、相抑圧パルスを用いて飽和させた際に現れる超伝導秩序再形成と対称性変化には特徴的な時間遅延相関が存在することを見出した。さらにBi置換により系統的に空間秩序を低下させた最適ドープ試料に対し、その空間特性に依存した超伝導転移温度近傍における擬ギャップ応答変化の緩和が観測された。これらの知見を踏まえ、最終年度は光渦の持つ強度勾配および位相勾配の超伝導応答および擬ギャップ応答に対する依存性を明らかにする。具体的には（A）局所領域に残留する超伝導応答緩和のサイズ依存性および擬ギャップ応答との相関特性、（B）ポンプ光に光渦を導入することによるカイラリティに依存した超伝導および擬ギャップの秩序形成変化の測定解析を実施する。（A）の残留超伝導は、光渦の強度暗点周りの急峻な強度勾配にもとづくポテンシャル変化を反映するため、秩序形成ダイナミクス観測を通して、電子の空間不均化が超伝導形成におよぼす影響の解明につながる。また（B）で得られる秩序形成ダイナミクスの変化に対して、方位位相勾配の誘起するキャリアの軌道角運動の寄与が期待できる。さらに高強度励起による相抑圧条件下では動的対称性変化やカイラリティ変化も期待できるため、これらの視点に立った解析も実施する。結果を踏まえて研究を総括し、時空間制御にもとづく新しい展開を開拓する。
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