Attosecond manipulation of electron tunneling at nanoscales
| Project/Area Number |
20H02653
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
片山 郁文 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (80432532)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桂川 眞幸 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (10251711)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
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| Keywords | トンネリング / 光電場 / アト秒 / 走査トンネル顕微鏡 / ナノスケール / トンネル電流 / プラズモニクス / 超高速分光法 / 光位相 / 非摂動論的応答 |
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| Outline of Research at the Start |
金属のナノギャップに電圧を印加することによって生じる電子トンネリングは、電子の量子性に起因した、電圧に対して極めて非線型に電流が増大する現象であり、表面の電子状態を強く反映することから、非線形エレクトロニクスや表面科学の分野で広く利用されている。本研究では、この電子トンネリングをアト秒（10^-15s）という極めて早い時間スケールで誘起する技術を開発することによって、ナノスケールの空間分解能かつアト秒の時間分解能を持つ極限計測手法を実証する事を目指す。そのために、高繰り返しアト秒レーザーと走査トンネル顕微鏡を組み合わせた実験を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではアト秒光電場とナノスケールのギャップとを組み合わせ、アト秒の光電場によるトンネル電子の駆動を目指した研究を行うとともに、その分光応用を目指す。そのために、本年度はアト秒光電場と走査型トンネル顕微鏡（STM）を組み合わせた実験系を構築し、それによる光駆動電流を計測することを試みた。アト秒光電場は5つの精密に周波数を整数倍に固定した連続波光源を用い、それらを位相も含めて合成することによって得られるアト秒のパルス列を用意し、それを大気STMに照射する系を作成した。STMの探針はタングステンを用い、グラファイト表面を計測することによって、原子スケールの像を得ることができることを確認している。この状態で、STM周りに防音を施し、精密に焦点位置を制御できるステージと色収差なく光を集光できる放物面鏡によってSTM探針に光を照射した。
その結果、光照射によってトンネル電流の量が変化することを明らかとした。このトンネル電流の起源を明らかにするために、光のON/OFFの周波数を変化させた場合、および偏光を変化させた場合のトンネル電流量の変化を計測した。その結果、トンネル電流の変化速度はkHzのオーダーであり、光照射による熱の影響が顕著であることが分かった。一方で、偏光に対する依存性も顕著に存在することから、光電場の向きに依存した応答が存在することも分かった。今後は、位相の違いによる電流量の変化をより精密に検証するために、基本波＝倍波の組み合わせによるトンネル電流駆動や、ノイズを低減させる超高真空STMへの光導入などを進め、光電場のみによる、トンネル電流を選択に計測できる条件を探索していきたいと考えている。
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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
本年度は、アト秒光電場によって駆動されたトンネル電流を計測することを目指した。その結果、光電場に起因すると考えられる電流成分が存在することを示せた点で、順調な進捗があったと考えている。一方で、アト秒電場による電流駆動を示すためには、ＤＣバイアスを印加しない状態でトンネル電流が駆動されることや、光の位相によって電流量が変化することを示さなければならないが、これらの点に関しては測定の精度上の問題があることが明らかとなった。次年度以降、これらの問題を解決し、アト秒電場に起因したトンネル電流が実際に観測できることを示していく必要がある。
一方で、今回形成したグループ内の共同研究はコロナ下にも関わらず順調に進んでいる。5月の緊急事態の際には実験系の作成を延期したものの、6月ごろから月に一回程度の打ち合わせを行いつつ電気通信大学にＳＴＭ装置を設置し立ち上げを進めることによって実験を開始することができた。また、秋以降には週1回程度、研究代表者の研究室の学生を電気通信大学に派遣し、共同で実験を進めることで、順調に実験を進めることができた。現在、今後の進行について打ち合わせて、上記の問題点を解決するための実験系の構築と実験を進める予定である。以上のことから、研究はおおむね順調に進んでいるものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
アト秒光電場によって駆動されたトンネル電流を計測するためには、光位相、およびＳＴＭ探針双方の高い安定性が必要である。例えば、アト秒光電場を実現するためには、各次数のレーザーの位相がnmのオーダーで安定化されている必要があり、STM探針の位置に関してもnmスケールで制御されている必要がある。これらを実現するために、STMでは、探針資料館距離のフィードバックが行われているが、それでも、周囲の音・振動の環境やエアコンなどによる風などによって、トンネル電流量は微妙に変化してしまう。これらのために、大気STMでは、比較的大きなノイズが混入してしまうことが多々あり、移設先の電気通信大学ではノイズが大きい測定となってしまっている可能性が高い。そこで、今後の研究の方向性として、新しく横浜国立大学に導入された超高真空ＳＴＭを用いることによって、高安定なアト秒トンネル電流測定を実現することを目指す。また、５波長の位相同期は極めて難しいために、当初は非対称電場の生成に最低限必要な２波長の照射によるトンネル電流を測定することを目指す。これらを通して、アト秒光電場によるトンネル電流制御を実証する。
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Report
(1 results)
Research Products
(6 results)
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[Presentation] Nanoscale phase transition of Ge2Sb2Te5 induced by locally enhanced laser fields at a tunnel junction2020
Author(s)
D. Kim, K. Asakawa, S. Yaguchi, M.Tsujii, K. Kaneshima, K. Yoshioka, Y.Arashida, S. Yoshida, H. Shigekawa, M. Kuwahara, I. Katayama, and J. Takeda
Organizer
第81回応用物理学会秋季学術講演会
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