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2020 Fiscal Year Research-status Report

強相関系絶縁体におけるテラヘルツパルス誘起相転移

Research Project

Project/Area Number 20K03801
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

宮本 辰也  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (40755724)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords光誘起相転移 / 高強度テラヘルツパルス / モット絶縁体 / 量子トンネル効果 / ポンプープローブ分光
Outline of Annual Research Achievements

強相関系物質では、光誘起絶縁体―金属転移をはじめとして高効率・超高速の光誘起相転移現象が見出されており、将来の光スイッチングデバイスへの応用が期待されている。この現象は、学術的にも、光物性や非平衡物理の新しいトピックスとして、近年盛んに研究されている。しかし、この方法では必然的に系の温度上昇が生じ、基底状態への回復に数十ピコ秒の時間を要するため、光スイッチとしての高速性が失われる。この問題を解決するために、申請者はテラヘルツパルスに注目した。テラヘルツパルスは可視光よりも約三桁光子エネルギーが小さいため、温度上昇の効果を抑えることができる。
本研究では、まず、有機非線形光学結晶であるDSTMSを利用することによって、最大で3 MV/cmを超える電場強度を持つテラヘルツパルスを発生させることに成功した。次に、発生させたテラヘルツパルスを一次元モット絶縁体であるET-F2TCNQに照射した後の反射率スペクトル変化を測定した。テラヘルツパルスの電場強度が小さい場合(0.3 MV/cm)、先行研究ですでに報告した通り、三次の非線形光学効果に起因する反射率変化のみが現れた。一方、2.8 MV/cmまで電場強度を増強した場合は、モットギャップの反射率が減少し、低エネルギー側で反射率が増大するという結果が得られた。これは、金属状態を表すドルーデ応答の特徴であり、モット絶縁体-金属転移が生じていることを意味する。また、金属化がテラヘルツ電場強度に対して閾値的に生じることを明らかにした。これは、テラヘルツパルスによるモット絶縁体-金属転移が、強電場による量子トンネル効果によるキャリア生成に起因したものであることを示唆する結果である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

3 MV/cmを超える高強度のテラヘルツパルスを発生させることに成功しただけでなく、それを利用したポンプ-プローブ分光測定により、一次元モット絶縁体において、量子トンネル効果によるキャリア生成に起因した絶縁体-金属転移を実現した。そのため、当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

まず、これまでに構築したテラヘルツポンプ-光プローブ分光系にクライオスタットを導入することによって、4 Kから300 Kまでの温度におけるテラヘルツパルス照射後の反射率スペクトル変化の測定を可能にする。窓材によるテラヘルツパルスの電場強度の減少を抑えるため、窓材にはダイアモンドを用いる。これにより、低温においても2 MV/cmを超える電場強度を持つテラヘルツパルスを利用できるようにする。次に、電子と正孔がクーロン相互作用により励起子を形成することによって絶縁体化した励起子絶縁体を対象として、テラヘルツポンプー光プローブ分光を行う。励起子絶縁体であるTa2NiSe5において報告されている光誘起絶縁体-金属転移は、光キャリアによるクーロン相互作用の遮蔽効果に起因する。本研究では、テラヘルツパルスによる量子トンネル効果によってキャリアを生成させ、遮蔽効果を生じさせることによって絶縁体-金属転移を実現する。

  • Research Products

    (15 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Excitonic optical spectra and energy structures in a one-dimensional Mott insulator demonstrated by applying a many-body Wannier functions method to a charge model2021

    • Author(s)
      Yamaguchi T.、Iwano K.、Miyamoto T.、Takamura N.、Kida N.、Takahashi Y.、Hasegawa T.、Okamoto H.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 103 Pages: 045124:1~15

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.045124

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Terahertz-Field-Induced Changes of Electronic States Associated with a Polarization Modulation in BiFeO32021

    • Author(s)
      Sono Naoki、Kinoshita Yuto、Kida Noriaki、Ito Toshimitsu、Okamoto Hiroshi、Miyamoto Tatsuya
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 90 Pages: 033703~033703

    • DOI

      10.7566/JPSJ.90.033703

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 1次元モット絶縁体ET-F_2_TCNQの光ポンプ-広帯域テラヘルツプローブ分光:光キャリアと励起子のダイナミクスI2021

    • Author(s)
      宮本辰也, 守安藍海, 梅村洸介, 髙村直幹, 韓陽, 園直樹, 貴田徳明, 高橋幸裕, 長谷川達生, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] テラヘルツ電場パルスが誘起するκ型ET塩のモット絶縁体-電荷秩序転移とモット絶縁体-金属転移2021

    • Author(s)
      梁生平, 高村直幹, 宮川和也, 鹿野田一司, 山本浩史, 須田理行, 森初果, 宮本辰也, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 電気磁気光学効果を示すビスマス銅酸化物Bi_2_CuO_4_のテラヘルツポンプ-光プローブ分光2021

    • Author(s)
      辻井幹人, 宮本辰也, 貴田徳明, 木村健太, 大竹雄太郎, 木村剛, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 位相安定中赤外パルスによる低温サブサイクル分光測定系の開発とその性能評価2021

    • Author(s)
      酒井大輝, 山川貴士, 園直樹, 宮本辰也, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 励起子絶縁体Ta_2_NiSe_5_における高強度テラヘルツ電場応答III2021

    • Author(s)
      高村直幹, 斎藤真幸, 梁生平, 大瀧貴史, 宮本辰也, 水井誠, 貴田徳明, 中埜彰俊, 澤博, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 位相安定中赤外パルス励起によるスピンパイエルス系分子性結晶K-TCNQのサブサイクル分光~強電場効果~2021

    • Author(s)
      園直樹, 北尾貴之, 山川貴士, 大瀧貴史, 森本剛史, 宮本辰也, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 位相安定中赤外パルス励起による1次元モット絶縁体 [Ni(chxn) _2_Cl] (NO_3_)_2_ のサブサイクル分光 ~フロッケ状態の観測~2021

    • Author(s)
      山川貴士, 酒井大輝, 大瀧貴史,園,直樹, 森本剛史, 宮本辰也, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
  • [Presentation] 位相安定中赤外パルス光による二次元モット絶縁体銅酸化物のサブサイクル分光Ⅱ2020

    • Author(s)
      宮本辰也, 園直樹, 大瀧貴史, 清水祐樹, 山川貴士, 北尾貴之, 森本剛史, 伊藤利充, 岡邦彦, 笹川崇男, 貴田徳明, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Presentation] 位相制御中赤外パルスによる分子内振動励起で誘起される有機モット絶縁体の非線形光学応答とサブサイクル分光:理論解析2020

    • Author(s)
      大瀧貴史, 園直樹, 北尾貴之, 山川貴士, 森本剛史, 宮本辰也, 貴田徳明, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Presentation] 位相制御中赤外パルスによる分子内振動励起で誘起される有機モット絶縁体の非線形光学応答とサブサイクル分光2020

    • Author(s)
      園直樹, 大瀧貴史, 北尾貴之, 山川貴士, 森本剛史, 宮本辰也, 貴田徳明, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Presentation] 一次元モット絶縁体(BEDT-TTF)-(F2TCNQ)における高強度THz電場効果III2020

    • Author(s)
      高村直幹, 大瀧貴史, 宮本辰也, 貴田徳明, 梁生平, 高橋幸裕, 長谷川達生, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Presentation] テラヘルツパルスによるκ型ET塩のモット絶縁体-電荷秩序転移と金属化Ⅱ2020

    • Author(s)
      梁生平, 高村直幹, 吉持遥人, 須田理行, 山本浩史, 宮川和也, 鹿野田一司, 森初果, 宮本辰也, 岡本博
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [Remarks] 岡本・貴田研究室ホームページ

    • URL

      http://pete.k.u-tokyo.ac.jp/index.html

URL: 

Published: 2021-12-27  

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