高強度テラヘルツパルス技術による超伝導体のヒッグスモードの研究

• 研究課題/領域番号: 15H05452
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物性Ⅰ
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松永 隆佑 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50615309)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円); 2018年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2017年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2016年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2015年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円)
• キーワード: 光物性 / テラヘルツ / 超伝導 / ヒッグス機構 / テラヘルツ分光 / ヒッグスモード

研究成果の概要

超伝導における秩序パラメーターの揺らぎに相当する集団励起モード、いわゆるヒッグスモードの性質を、高強度テラヘルツパルスを用いた非線形光学応答を駆使して詳細に調べた。従来型s波超伝導体の非線形テラヘルツ応答にはヒッグスモードが支配的に寄与していることを証明し、BCS平均場近似を用いるとヒッグスモードの寄与を一縷しく過小評価してしまうことを示した。また強い定常電流下においてヒッグスモードが光学活性化し線形応答においても観測されることを示した。さらに銅酸化物高温超伝導体に注目し、d波超伝導のヒッグスモードの観測に成功したほか、非平衡ジョセフソンプラズマ共鳴の解釈について新たな知見を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

超伝導は素粒子物理と極めて高い類似性を持つことが古くから知られ、その研究の発展は物理学全体に大きな影響を及ぼしてきたが、ヒッグス粒子に相当する集団的振る舞い（ヒッグスモード）は、普遍的現象であるにも関わらずこれまでほとんど調べられていなかった。高強度テラヘルツパルスによる最先端光学測定を用いた我々の研究によって、超伝導ヒッグスモードを観測する実験が実現し、様々な超伝導体においてその性質が明らかになった。

研究成果

• [国際共同研究] Universite Paris Diderot(France)
• [国際共同研究] Brookhaven National Lab(米国)
• [国際共同研究] Princeton University(米国)
• [雑誌論文] Higgs Mode in the d-Wave Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x Driven by an Intense Terahertz Pulse (2018)
  • 著者名/発表者名: Katsumi Kota、Tsuji Naoto、Hamada Yuki I.、Matsunaga Ryusuke、Schneeloch John、Zhong Ruidan D.、Gu Genda D.、Aoki Hideo、Gallais Yann、Shimano Ryo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 120 号: 11 ページ: 117001-117001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.117001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarization-resolved terahertz third-harmonic generation in a single-crystal superconductor NbN: Dominance of the Higgs mode beyond the BCS approximation (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsunaga Ryusuke、Tsuji Naoto、Makise Kazumasa、Terai Hirotaka、Aoki Hideo、Shimano Ryo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.020505
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear terahertz spectroscopy of Higgs mode in s-wave superconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: 92 号: 2 ページ: 024003-024003
  • DOI: 10.1088/1402-4896/aa5327
  • 査読あり
• [雑誌論文] Higgs mode excitation in superconductors by intense terahertz pulse (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 9835 ページ: 98351G-98351G
  • DOI: 10.1117/12.2223010
  • 謝辞記載あり
• [学会発表] 直流電流注入下でのs波超伝導体NbNの赤外活性ヒッグスモード (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村祥子, 飯田雄大, 室谷悠太, 松永隆佑, 寺井弘高, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] Higgs Amplitude Mode in Superconductors Studied by Nonlinear Terahertz Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryusuke Matsunaga
  • 学会等名: the 31st International Symposium on Superconductivity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高強度テラヘルツ光による超伝導体の非線形応答と集団励起 (2018)
  • 著者名/発表者名: 松永隆佑
  • 学会等名: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第39回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 銅酸化物超伝導体La2-xSrxCuO4のテラヘルツ帯光励起非平衡ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 丹羽宏彰, 吉川尚孝, 泊開人, 松永隆佑, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会（2018年）
• [学会発表] THzポンププローブ分光によるFe(Se,Te)薄膜における超伝導ゆらぎの観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田圭祐, 松永隆佑, 川合将敬, 浅見大亮, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 高温超伝導体La_{2-x}Sr_{x}CuO_{4}の光励起非平衡状態におけるジョセフソンプラズマの観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 泊開人, 濱田裕紀, 松永隆佑, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Bi_{2}Sr_{2}CaCuO_{8+x}単結晶におけるテラヘルツ波励起非平衡ダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 勝見恒太, 濱田裕紀, 松永隆佑, R.D. Zhong, J. Schneeloch, G.D. Gu, Y. Gallais, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 超伝導体NbNの偏光分解テラヘルツ第三高調波発生：ヒッグスモードの支配的寄与とBCS近似の破綻 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松永隆佑, 辻直人, 牧瀬圭正, 寺井弘高, 青木秀夫, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] テラヘルツ分光による銅酸化物超伝導体La1.6-x Nd0.4 SrxCuO4の光励起ダイナミクスの観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 丹羽宏彰, 泊開人, 松永隆佑, Dongjoon Song, 永崎洋, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] テラヘルツポンププローブ分光で探るFe(Se,Te)薄膜の超伝導およびネマティック秩序 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田圭祐, 松永隆佑, 川合将敬, 浅見大亮, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 超伝導体NbNにおける直流電流とヒッグスモードの結合 (2017)
  • 著者名/発表者名: 飯田雄大, 松永隆佑, 中村祥子, 寺井弘高, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] テラヘルツ非線形分光による超伝導ダイナミクス研究の戦略 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松永隆佑
  • 学会等名: シンポジウム「テラヘルツ科学の最先端IV」
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring THz-induced dynamics of a d-wave superconducting condensate in the cuprate Bi2Sr2CaCu2O8+δ (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Katsumi, Y. I. Hamada, R. Matsunaga, J. Schneeloch, R. D. Zhong, G. D. Gu, Y. Gallais and R. Shimano
  • 学会等名: 6th international conferences on photoinduced phase transitions
  • 国際学会
• [学会発表] YBa_{2}Cu_{3}O_{y}単結晶におけるテラヘルツ波パルス誘起超高速コヒーレント非線形光学応答 (2016)
  • 著者名/発表者名: 濱田裕紀, 富田圭祐, 泊開人, 松永隆佑, 李祈願, 宮坂茂樹, 田島節子, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 光ポンプ-テラヘルツポンプ-光プローブ分光による励起子モット転移ダイナミクスの観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 室谷悠太, 高山正行, 松永隆佑, 関口文哉, 金昌秀, 秋山英文, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 強磁場下単層グラフェンの非等間隔ランダウ準位に基づく超高速非線形テラヘルツ応答 (2016)
  • 著者名/発表者名: 湯本郷, 松永隆佑, 日比野浩樹, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Collective Higgs amplitude mode in superconductors studied by strong terahertz pulse (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryusuke Matsunaga
  • 学会等名: International Conference on Dynamical Processes in Excited States of Solids
  • 発表場所: Paris (France)
  • 年月日: 2016-07-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Higgs amplitude mode in superconductors studied by nonlinear terahertz spectroscopy, Spectroscopies in Novel Superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano
  • 学会等名: Spectroscopies in Novel Superconductors
  • 発表場所: Stuttgart (Germany)
  • 年月日: 2016-06-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast terahertz nonlinear effect of Landau level transition in graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: Go Yumoto, Ryusuke Matsunaga, Hiroki Hibino, and Ryo Shimano
  • 学会等名: CLEO:2016
  • 発表場所: San Jose (USA)
  • 年月日: 2016-06-05
  • 国際学会
• [学会発表] Photoexcited nonequilibrium dynamics of c-axis Josephson plasma in La_{2-x}Sr_{x}CuO_{4} (2016)
  • 著者名/発表者名: Kaito Tomari, Yuki I. Hamada, Ryusuke Matsunaga, Hiroshi Eisaki, and Ryo Shimano
  • 学会等名: Low Energy Electrodynamics in Solids 2016
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県守山市）
  • 年月日: 2016-05-29
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz nonlinear response in an optimally-doped YBa_{2}Cu_{3}O_{7} single crystal (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuki I. Hamada, Keisuke Tomita, Kaito Tomari, Ryusuke Matsunaga, Lee Jiang Hao Kegan, Setsuko Tajima, and Ryo Shimano
  • 学会等名: Low Energy Electrodynamics in Solids 2016
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖（滋賀県守山市）
  • 年月日: 2016-05-29
  • 国際学会
• [学会発表] Higgs mode excitation in superconductors by intense terahertz pulse (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryusuke Matsunaga and Ryo Shimano
  • 学会等名: SPIE DCS Defense+Security: Ultrafast Bandgap Photonics
  • 発表場所: Baltimore (USA)
  • 年月日: 2016-04-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ランダウ量子化した単層グラフェンにおける超高速非線形テラヘルツ応答 (2016)
  • 著者名/発表者名: 湯本郷, 松永隆佑, 日比野浩樹, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 光励起非平衡状態におけるLa2-xSrxCuO4のc軸ジョセフソンプラズマの観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 泊開人, 濵田裕紀, 松永隆佑, 永崎洋, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Ultrafast terahertz nonlinearity in Landau-quantized graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: G. Yumoto, R. Matsunaga, H. Hibino, and R. Shimano
  • 学会等名: Cooperation in Physics Workshop: LMU-UT
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-02-29
  • 国際学会
• [学会発表] バルク GaAs における励起子モット転移と電子正孔異常金属相 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高山正行, 関口文哉, 松永隆佑, 島野亮
  • 学会等名: 第7回東京大学低温センター研究交流会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-02-23
• [学会発表] マルチバンド超伝導体 MgB2 におけるテラヘルツ第 3 高調波の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 富田圭祐, 濵田裕紀, 泊開人, 松永隆佑, 島野亮
  • 学会等名: 第7回東京大学低温センター研究交流会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-02-23
• [学会発表] 光励起非平衡状態の La2-xSrxCuO4 における c 軸ジョセフソンプラズマの観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 泊開人, 濵田裕紀, 松永隆佑, 島野亮
  • 学会等名: 第7回東京大学低温センター研究交流会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-02-23
• [学会発表] 単層グラフェンにおけるランダウ準位の超高速非線形テラヘルツ応答 (2016)
  • 著者名/発表者名: 湯本郷, 松永隆佑, 島野亮
  • 学会等名: 第7回東京大学低温センター研究交流会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-02-23
• [学会発表] 高強度テラヘルツ波による 非平衡超伝導の超高速ダイナミクスの研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 島野亮、松永隆佑
  • 学会等名: 第8回文部科学省「最先端の光の創成を目指したネットワーク研究拠点プログラム」シンポジウム
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2016-01-27
• [学会発表] 高強度THz波を用いた超伝導体のHiggsモードの研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松永隆佑
  • 学会等名: 第10回関東光科学若手研究会
  • 発表場所: 慶応大学（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2015-10-31
  • 招待講演
• [学会発表] THzポンプ-THzプローブ分光法による単層グラフェンにおける非線形ファラデー回転の観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 湯本郷, 松永隆佑, 日比野浩樹, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] マルチギャップ超伝導体MgB2におけるヒッグスモード (2015)
  • 著者名/発表者名: 富田圭祐, 濵田裕紀, 泊開人, 松永隆佑, 柴田浩行, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] バルクGaAsにおけるテラヘルツ波誘起励起子解離・再形成ダイナミクス (2015)
  • 著者名/発表者名: 高山正行, 関口文哉, 松永隆佑, 望月敏光, 金昌秀, 秋山英文, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West, 島野亮
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Higgs mode in a multiband superconductor MgB2 (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Tomita, Y. I. Hamada, K. Tomari, R. Matsunaga, H. Shibata, and R. Shimano
  • 学会等名: Materials and Mechanisms of Superconductivity 2015
  • 発表場所: Geneva (Switzerland)
  • 年月日: 2015-08-23
  • 国際学会
• [学会発表] Searching for Two Higgs Modes in Superconducting MgB2 Using Terahertz Pump & Terahertz Probe Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Rocco Vitalone, Keisuke Tomita, Ryusuke Matsunaga, and Ryo Shimano
  • 学会等名: SCI Summer Research Colloquium
  • 発表場所: Houston (America)
  • 年月日: 2015-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] 高強度テラヘルツ波による超伝導秩序パラメーター振動の実時間観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松永隆佑
  • 学会等名: 第53回化合物新磁性材料専門研究会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2015-07-24
  • 招待講演
• [図書] 固体物理 「超伝導体中のヒッグスモード‐高強度テラヘルツ波による検出とヒッグス共鳴第三高調波発生」 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松永隆佑、辻直人、青木秀夫、島野亮
  • 総ページ数: 26
  • 出版者: アグネ技術センター
• [備考] 銅酸化物高温超伝導体で超伝導の“さざ波”のヒッグスモードの観測に成功
  • URL: http://www.phys.s.u-tokyo.ac.jp/press/13679/