Charge-ordering-induced ferroelectric domains formed by strongly-correlated pi electrons: growth mechanism and optical functions

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 20H05147
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 伊藤 弘毅 東北大学, 理学研究科, 助教 (70565978)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 強相関電子系 / 電荷秩序 / 短距離秩序 / 電子強誘電 / テラヘルツ強電場 / 光誘起相転移 / 強誘電ドメイン / 超高速分光

Outline of Annual Research Achievements

1. 擬一次元有機伝導体(TMTTF)2Xでは、強相関π電子が自己組織化することで強誘電分極を形成しており(電子強誘電体)、量子液晶としての性質を示すと期待できる。前年度に行った顕微テラヘルツ波発生測定によって、電荷は長距離(数100ミクロンオーダー)ドメインを形成することが解った。今年度はテラヘルツ透過測定によって超高速な光機能を探索した。テラヘルツ帯における分子間振動の吸収ピークを通じ、電子数個程度の短距離秩序(ナノスケール)の検出に成功した。その近赤外光励起ダイナミクスを調べたところ、注目すべきことに、短距離秩序は光励起によって増強することが明らかとなった。この挙動は電荷秩序の相転移線近傍でのみ観測されることから、電荷ゆらぎが重要な役割を果たすと考えられる。これまでの光誘起相転移研究では相境界に近いほど「秩序が融けやすい」と考えられてきたが、実際の電子ダイナミクスはより多彩であることが解った。
2. 層状鉄酸化物RFe2O4では、最近の光第二高調波発生(SHG)実験により、電荷秩序が電子強誘電分極を生むことが明らかとなった。電子分極の超高速制御を目指し、傾斜パルス法による高強度テラヘルツ波光源(電場強度~500kV/cm)を開発し、分極のダイナミクスを調べた。分極によって生じるSHGは、電場印加後ピコ秒(一兆分の一秒)未満で100%を越す巨大変化を示しており、電子強誘電分極は電場に極めて敏感であると解った。なお他の物質での変化量は、同程度の電場では数%-50%程度である。またSHGの時間変化は電場の微分波形と似ており、単純な非線形光学効果では説明がつかない。電子の集団的な性質を反映している可能性がある。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Remarks

研究室ホームページ: http://femto.phys.tohoku.ac.jp/

Research Products

• [Int'l Joint Research] Universitat Stuttgart(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Universitat Stuttgart
• [Journal Article] Petahertz charge dynamics in a correlated organic superconductor (2022)
  • Author(s): Iwai Shinichiro、Kawakami Yohei、Itoh Hirotake、Yonemitsu Kenji
  • Journal Title: Faraday Discussions Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1039/d2fd00004k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge correlations and their photoinduced dynamics in charge-ordered organic ferroelectrics (2021)
  • Author(s): Itoh Hirotake、Obatake Hirokazu、Fujiwara Rina、Kawakami Yohei、Yamamoto Kaoru、Dressel Martin、Iwai Shinichiro
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 3 Pages: L032043/1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.L032043
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 電子型強誘電体α-(ET)2I3の6 fs SHG分光 (2022)
  • Author(s): 川上洋平, 天野辰哉, 伊藤弘毅, 山本薫, 中村優斗, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 電子強誘電体(TMTTF)2Xにおける短距離/長距離電荷相関の超高速テラヘルツ分光 (2022)
  • Author(s): 伊藤弘毅, 大畠洋和, 藤原里菜, 川上洋平, 山本薫, Martin Dressel, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 高温超伝導体YBa2Cu3Oyの超高速準粒子ダイナミクスII (2022)
  • Author(s): 加藤遼, 昆彬之, 大橋拓純, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 西嵜照和, 大串研也, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 5d電子系ディラック半金属SrIrO3薄膜における超高速光キャリアダイナミクス (2022)
  • Author(s): 昆彬之, 加藤遼, 赤嶺勇人, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] α''-(BEDT-TTF)2Rb1.2Co(SCN)4のラマン散乱スペクトルの圧力依存性 (2022)
  • Author(s): 石川敦也, 中村優斗, 井口敏, 佐々木孝彦, 米山直樹, 伊藤弘毅, 岩井伸一郎, 岸田英夫
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 層状鉄酸化物LuFe2O4における電子強誘電分極のテラヘルツ強電場制御 (2022)
  • Author(s): 水上龍星, 岸田晶穂, 伊藤弘毅, 川上洋平, 干洪武, 腰原伸也, 沖本洋一, 深田幸正, 池田直, 藤原孝将, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] スピン軌道モット絶縁体α-RuCl3における超高速磁気光学応答 (2022)
  • Author(s): 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 後藤貫太, 中村優斗, 岸田英夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Ultrafast photocontrol of short- and long-range charge correlations in organic electronic ferroelectrics (2022)
  • Author(s): Hirotake Itoh
  • Organizer: 令和3年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Time-resolved Nonlinear Spectroscopy in Electronic Ferroelectric Oxides (2021)
  • Author(s): Hongwu Yu, Kou Takubo, Tadahiko Ishikawa, Shin-ya Koshihara, Ginichi Nishida, Yukimasa Fukada, Naoshi Ikeda, Kosuke Fujiwara, Reika Ota, Takumi Sakagami, Tatsuo Fujii, Akiho Kishida, Hirotake Itoh, Shinichiro Iwai, and Yoichi Okimoto
  • Organizer: The Material Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast photoresponse of depinned electronic-ferroelectric domains observed in strongly correlated organic conductors (2021)
  • Author(s): Hirotake Itoh, Kaoru Yamamoto, Martin Dressel, and Shinichiro Iwai
  • Organizer: The Material Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電子強誘電体(TMTTF)2Xにおける短距離/長距離電荷相関とその光励起ダイナミクス (2021)
  • Author(s): 伊藤弘毅
  • Organizer: 2021年度物性研究所短期研究会 分子性固体研究の拡がり：新物質と新現象
  • Invited
• [Presentation] 電子強誘電体の超高速光・テラヘルツ応答 (2021)
  • Author(s): 伊藤弘毅
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 電子型強誘電ドメイン構造が示す 光・テラヘルツダイナミクス (2021)
  • Author(s): 伊藤弘毅
  • Organizer: 2021年度第5回光機能研究会
  • Invited
• [Presentation] Ultrafast photoresponse of electronic-ferroelectric domains depinned by anion ordering in strongly correlated organic conductors (2021)
  • Author(s): Hirotake Itoh, Kaoru Yamamoto, Martin Dressel, and Shinichiro Iwai
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2021 (QLC2021)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東北大学プレスリリース「有機電子型強誘電体のナノ分極を瞬時に増強 ペタヘルツ応答への可能性を開拓」
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/08/press20210819-01-organic.html
• [Remarks] JST共同発表「有機電子型強誘電体のナノ分極を瞬時に増強 ～ペタヘルツ応答への可能性を開拓～」
  • URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20210819-2/index.html
• [Remarks] 日経新聞「東北大と岡山理科大、赤外光を照射した瞬間にナノ分極が増強することを発見」
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP616341_Z10C21A8000000/
• [Remarks] OPTRONICS ONLINE「東北大，光で電子型強誘電体のナノ分極を瞬時増強」
  • URL: https://optronics-media.com/news/20210819/74245/