Investigation of collective excitations in solids by vortex beam
| Project/Area Number |
19K22120
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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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)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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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
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。
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| 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。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
