Anomalous optical properties by circularly polarized light in low-dimensional materials

• Project/Area Number: 18H01810
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 齋藤 理一郎 東北大学, 理学研究科, 教授 (00178518)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2019: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2018: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 円偏光 / 角運動量 / バレー分極 / EL / ナノチューブ / バレー偏極 / 低次元物質 / 光吸収 / ラマン分光

Outline of Annual Research Achievements

2019年は、関連する論文を含め９編の論文を発表した。特に円偏光に関する主な３つの成果は以下のとおりである。
（1）修正されたハルデンモデルをハミルトニアンとして採用し、２次元物質における円偏光二色性について議論し、Phys. Rev. B　に発表した。修正されたハルデンモデルは、ブリルアン領域のK点とK’点におけるエネルギーギャップの値が異なるように変化することができるので、円偏光二色性を変調することができることを示した。
（２）２次元の物質中に、磁場をかけなくてもホール伝導度が存在する場合を考えると、この物質に、ファラデー効果とカー効果が起こるだけでなく、円偏光二色性が起きることを理論的に示した。この結果もPhys. Rev. B に発表した。
（３）半導体カーボンナノチューブをドープすると、ドープしない場合のエネルギーバンド間の光吸収スペクトルは、伝導帯に電子が占有する（または価電子帯にホールが占有する）ために消失する。さらにドープをすると、別のエネルギーのところに強い光吸収が起きる。この光吸収は、表面プラズモン励起による光吸収であることを、誘電率の計算によって示した。表面プラズモン励起による光吸収は、ナノチューブの(n,m)の値に依存し、フェルミエネルギーの関数として与えられる。この結果もPhys. Rev. B に発表した。
そのほかの研究成果としては、（４）２次元物質InSe、テトラダイマイトやスズカルコゲナイドの熱電性能を理論的に計算し3編の論文に発表した。（５）ナトリウムイオン電池の性能に関する理論的研究を第一原理計算を用いて行った。（６）グラフェンのナノリボン上に電磁波をあてると、エッジプラズモンが励起され、その結果誘起された電場が回転することを理論的計算で明らかにした。（７）ナノチューブの熱電性能に関してレビュー論文を執筆した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

２次元物質と円偏光に関係する複数の現象について、同時に解明するなど科研費を申請したときに提示した問題の80％は２年目ですでに解決したといえる。また、関連する２次元物質の熱電性能や、電池としての性能に関しても共同研究によって明らかにしている。

Strategy for Future Research Activity

科研費の申請時に提示した、エレクトロルミネッセンスの問題を解決し、科研費の申請時の問題をすべて解決する。また、グラフェンや２次元物質の円偏光における物性として表面プラズモンが重要であることを認識した。この表面プラズモンの物性に関しては、今後の研究において重点的に推進する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ICREA(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Indonesian Institute of Sciences(インドネシア)
• [Int'l Joint Research] Nanjing University/Institute of Metal Research/Northwestern Polytechnical University(中国)
• [Int'l Joint Research] Moscow Institute of Physics/Skolkovo Institute of Science(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] University of Sci. and Tech. of Hanoi(ベトナム)
• [Int'l Joint Research] 北京大学(中国)
• [Int'l Joint Research] ケルン大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 台湾師範大学(その他の国・地域)
• [Journal Article] Thermoelectric performance of monolayer InSe improved by convergence of multivalley bands (2019)
  • Author(s): Hung Nguyen T. 、Nugraha Ahmad R. T.、Yang Teng、Zhang Zhidong、Saito Riichiro
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 125 Pages: 082502-082502
  • DOI: 10.1063/1.5040752
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New two-dimensional phase of tin chalcogenides: Candidates for high-performance thermoelectric materials (2019)
  • Author(s): Dong Baojuan、Wang Zhenhai、Hung Nguyen T.、Oganov Artem R.、Yang Teng、Saito Riichiro、Zhang Zhidong
  • Journal Title: Phys. Rev. Materials Volume: 3 Pages: 0134051-9
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.013405
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Intersubband plasmon excitations in doped carbon nanotubes (2019)
  • Author(s): D. Satco, A. R. T. Nugraha, M. S. Ukhtary, D. Kopylova, A. G. Nasibulin, R. Saito
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.075403
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Designing high-performance thermoelectrics in two-dimensional tetradymites (2019)
  • Author(s): Hung Nguyen T.、Nugraha Ahmad R.T.、Saito Riichiro
  • Journal Title: Nano Energy Volume: 58 Pages: 743-749
  • DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.02.015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tunable circular dichroism and valley polarization in the modified Haldane model (2019)
  • Author(s): Vila Marc、Hung Nguyen Tuan、Roche Stephan、Saito Riichiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.161404
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-vertical optical transition in near-field enhanced spectroscopy of graphene (2019)
  • Author(s): Pratama F R、Ukhtary M Shoufie、Saito Riichiro
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 31 Pages: 265701-265701
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab1335
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Planar rotation of electric field induced by edge-plasmon in a graphene nanoribbon (2019)
  • Author(s): M. Shoufie Ukhtary, Masato Maruoka, Riichiro Saito
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.155432
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermoelectric Properties of Carbon Nanotubes (2019)
  • Author(s): Hung Nguyen T.、Nugraha Ahmad R. T.、Saito Riichiro
  • Journal Title: Energies Volume: 12 Pages: 4561-4561
  • DOI: 10.3390/en12234561
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simultaneous Anionic and Cationic Redox in the Mo3S11 Polymer Electrode of a Sodium-Ion Battery (2019)
  • Author(s): Hung Nguyen T.、Yin Li-Chang、Tran Phong D.、Saito Riichiro
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 123 Pages: 30856-30862
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b09325
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Perfect circulardichroism in the Haldane model (2018)
  • Author(s): K. Ghalamkari, Y. Tatsumi, R. Saito
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 87 Issue: 6 Pages: 063708-063708
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.063708
  • ISSN: 0031-9015, 1347-4073
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conservation law of angular momentum in helicity-dependent Ramanand Rayleigh scattering (2018)
  • Author(s): Y. Tatsumi, T. Kaneko, R. Saito
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 97
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.195444
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deep-ultraviolet Ramanscattering spectroscopy of monolayer WS2 (2018)
  • Author(s): H. S. Liu, T. Yang, Y. Tastumi, Y. Zhang, B. Dong,H. Guo, Z. D. Zhang, Y. Kumamoto, M. Y. Li, L.J. Li, R. Saito, S. Kawata
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 8 Pages: 113981-10
  • DOI: 10.1038/s41598-018-29587-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Resonance Raman spectrum of doped epitaxial grapheneat the Lifshitz transition (2018)
  • Author(s): M. G. Hell, N. Ehlen, B. V. Senkovskiy, E. H. Hasdeo,A. Fedorov, D. Dombrowski, C. Busse, T. Michely,G. di Santo, L. Petaccia, R. Saito, A. Gruneis
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 18 Pages: 6045-6056
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02979
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inversion Domain Boundary in MoSe2 Layers (2018)
  • Author(s): Quang Duc Truong, Nguyen T. Hung, Yuta Nakayasu, Keiichiro Nayuki, Yo-shikazu Sasaki, Murukanahally Kempaiah Devaraju, Li-Chang Yin, Takaaki Tomai, Riichiro Saito, Itaru Honma
  • Journal Title: RCS Adv. Volume: 8 Pages: 33391-33397
  • DOI: 10.1039/c8ra07205a
  • NAID: 120006873141
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum Description of Surface Plasmon Excitation by Light in Graphene (2018)
  • Author(s): M. S Ukhtary, R. Saito
  • Journal Title: Phys.Stat. Solidi B Volume: 255
  • DOI: 10.1002/pssb.201800181
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhancement of the Electric Field and Diminishment of the Group Velocity of Light in Dielectric Multilayer Systems: A General Description (2018)
  • Author(s): J. Blumberg, M. S. Ukhtary, R. Saito,
  • Journal Title: Phys. Rev. Appl. Volume: 10
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.10.064015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Tunable circular dichroism and valley polarization in two dimensional materials (2019)
  • Author(s): R. Saito
  • Organizer: Recent progress in graphene and 2D materials research (RPGR2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原子層材料における円偏光発光 (2019)
  • Author(s): R. Saito
  • Organizer: 第23回ＶＢＬシンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Edge plasmon of two-dimensional materials (2019)
  • Author(s): R. Saito
  • Organizer: The 4th Graphene Flagship EU-JapanWorkshop on Graphene and related 2D materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhancement of electric field for measuring optical response in two-dimensional materials (2018)
  • Author(s): 齋藤 理一郎
  • Organizer: The 9th Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Energy and Electronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In-plane rotation of electric field induced by edge-plasmon in graphene ribbon (2018)
  • Author(s): M. S. Ukhtary
  • Organizer: The 9th Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Energy and Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Book] Optical properties of carbon nanotubes : a volume dedicated to the memory of Professor Mildred S. Dresselhaus (2019)
  • Author(s): R. Saito
  • Total Pages: 30
  • Publisher: World Scientific
  • ISBN: 9789813272866
• [Book] Raman Spectroscopy of Two-Dimensional Materials, Springer Series in Materials Science (2019)
  • Author(s): R. Saito, Y. Tatsumi, T. Yang, H. Guo, L. Zhou, M.S. Dresselhaus
  • Total Pages: 32
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811318276
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