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Investigation of collective excitations in solids by vortex beam

Research Project

Project/Area Number 19K22120
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

下志万 貴博  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (70581578)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Keywords超高速電子顕微鏡 / 光渦 / コヒーレント音響フォノン / 磁気スキルミオン / 音響フォノン / ポンププローブ法
Outline of Research at the Start

本研究では、光のトポロジーが反映された固体の新たな励起状態を探索し高精度に可視化することを目的とする。固体の微小領域に励起される空間的非一様なダイナミクスをイメージング検出するために、ナノメートルの空間分解能とフェムト秒の時間分解能を両立する手法である超高速電子顕微鏡法を用いる。現有する超高速電子顕微鏡装置の光学系に新たに位相板を導入し、生成された光渦を励起光として用いる。特に軌道角運動量を励起パラメータとするために、チャージ数の異なる複数の位相板を切り替え可能な構造とする。光渦による磁気スキルミオンや音響フォノンの発生を試み、その形成および伝搬過程を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、固体中を伝搬する光誘起コヒーレント音響フォノンに関する数値シミュレーションを行い、薄片およびバルク試料中における伝搬過程の相違を定量的に明らかにし、Structural dynamics誌に発表した。また、予備実験としての位置づけであるVTe2における光励起コヒーレント音響フォノンの生成に関する観測からは、結晶構造の不安定性に起因した巨大な剪断歪み波の検出に成功し、Nano Letters誌に発表した。昨年度に引き続き、ピコ秒明視野像観察法によりSi薄膜の光励起音響フォノンダイナミクスの観測を行った。FIB法を用いて薄片試料上に様々な形状および配列を有する空孔形成および金属蒸着を行い、音響フォノンの反射、収束および整流効果の検証を行った。その結果、金属の構造物からコヒーレント音響フォノンが生じ、放物線状の空孔により反射する様子を観測した。音響フォノンの超高速制御を示唆する成果として、現在論文にまとめている。また、磁気スキルミオンの光駆動に関する研究からは、格子欠陥周りのスキルミオンの柔軟な運動が観測された。本成果はScience Advances誌に掲載された。ガウシアンビームにより試料をほぼ均一に加熱した本結果に対して、回折限界よりも小さなスポット径を有する光渦により局所的な温度勾配を引き起こすことが可能になれば、より多彩なスキルミオンダイナミクスの励起が期待される。これらの予備実験と並行し、光渦光学系の構築を行い、実験に向けた調整を行っている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでに、超高速電子顕微鏡を用いたピコ秒明視野像観察法によりSi薄膜の光励起音響フォノンダイナミクスの観測およびVTe2におけるコヒーレント音響フォノン生成および伝搬の可視化を行った。また、これらの現象を解析するために、薄片およびバルク試料中を伝搬する光誘起コヒーレント音響フォノンに関する数値シミュレーションを行った。さらに、磁気スキルミオンの光駆動に関する研究からは、格子欠陥周りのスキルミオンの柔軟な運動が観測された。これらの予備実験から、ガウシアンビームにより試料を空間的に均一に加熱した場合のナノスケールダイナミクスが明らかになった。

Strategy for Future Research Activity

これまでの予備実験を踏まえると、光渦を用いて回折限界よりも小さなスポット径により空間的な温度勾配を引き起こすことが可能になれば、より多彩なスキルミオンダイナミクスやコヒーレント音響フォノンの励起が期待される。そのために、光渦光学系の構築を継続して行い、超高速電子顕微鏡実験を行うための調整を完了させる。これにより、光渦励起による局所加熱や軌道角運動量を利用した新規量子現象の探索を行う。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(10 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Nano-to-micro spatiotemporal imaging of magnetic skyrmion’s life cycle2021

    • Author(s)
      T. Shimojima, A. Nakamura, X. Z. Yu, K. Karube, Y. Taguchi, Y. Tokura, K. Ishizaka
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: -

    • DOI

      10.1126/sciadv.abg1322

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Finite-element simulation of photoinduced strain dynamics in silicon thin plates2021

    • Author(s)
      A. Nakamura, T. Shimojima, and K. Ishizaka
    • Journal Title

      Structural Dynamics

      Volume: 8

    • DOI

      10.1063/4.0000059

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 電荷密度波物質VTe2における光音響フォノンのナノスケールイメージング2021

    • Author(s)
      中村飛鳥、下志万貴博、石坂香子
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 56 Pages: 25-32

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nanoscale Imaging of Unusual Photoacoustic Waves in Thin Flake VTe22020

    • Author(s)
      A. Nakamura, T. Shimojima, Y. Chiashi, M. Kamitani, H. Sakai, S. Ishiwata, H. Li, and K. Ishizaka
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 20 Pages: 4932-4938

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.0c01006

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 時間分解電子顕微鏡による機能性ナノ材料のダイナミクス観測2021

    • Author(s)
      下志万貴博
    • Organizer
      日本顕微鏡学会超高分解能顕微鏡法分科会, 2020年度研究会「超高時間分解能顕微鏡の進展と展望」
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 超高速時間分解電子顕微鏡の現状と展望2021

    • Author(s)
      下志万貴博
    • Organizer
      日本電子株式会社ウェビナー「新領域を切り拓く透過電子顕微鏡とレーザー技術の融合 ~超時間分解TEMおよびレーザー励起その場観察の紹介~」
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 超高速電子顕微鏡における5次元STEM法の開発2020

    • Author(s)
      下志万 貴博 , 中村 飛鳥 , 石坂 香子
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第76回学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 超高速電子顕微鏡による微細加工Si薄片中のコヒーレント音響フォノン観測2020

    • Author(s)
      中村 飛鳥 ,下志万 貴博 , 石坂 香子
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第76回学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 超高速電子顕微鏡による1T"-VTe2のコヒーレント音響フォノンの観測2019

    • Author(s)
      中村 飛鳥,下志万 貴博,千足 勇介,上谷 学,酒井 英明,石渡 晋太郎,李 瀚,押山 淳,石坂 香子
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第75回学術講演会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 微細加工シリコン単結晶薄膜におけるコヒーレント音響フォノン2019

    • Author(s)
      中村飛鳥, 下志万貴博, 石坂香子
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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