シングルショットテラヘルツオシロスコープの開発

• 研究課題/領域番号: 15K13378
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 光工学・光量子科学
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 片山 郁文 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80432532)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2015年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: テラヘルツ / シングルショット / 超高速分光 / 時間領域伸長法 / 物性実験 / 量子エレクトロニクス / 超高速応答 / オシロスコープ / 電気光学効果

研究成果の概要

本課題では、テラヘルツ、ピコ秒領域の時間波形をリアルタイムに計測する技術を開発するために、波長ごとに時間差（チャープ）を付けた超短パルスレーザーと、群速度分散を用いて時間波形をナノ秒領域にまで伸長する技術を組み合わせることを試みた。その結果、シングルショットで波形を取得することに成功し、光誘起相変化材料や、光非線型応答、テラヘルツ電場波形のシングルショット検出に成功した。また、チャープファイバーブラッググレーティングと呼ばれる分散素子を用いることで、高感度に、高い信号雑音比で波形を得ることにも成功した。これらの結果は、本手法がテラヘルツ領域の波形計測手法として非常に期待できることを示している。

研究成果

• [国際共同研究] ライス大学/ブリガムヤング大学/SLAC(米国)
• [国際共同研究] Brigham Young University(米国)
• [雑誌論文] Single-Shot Terahertz Time-Domain Spectroscopy in Pulsed High Magnetic Fields (2016)
  • 著者名/発表者名: G. T. Noe, I. Katayama, F. Katsutani, J. J. Allred, J. A. Horowitz, D. M. Sullivan, Q. Zhang, F. Sekiguchi, G. L. Woods, M. C. Hoffmann, H. Nojiri, J. Takeda, and J. Kono
  • 雑誌名: Opt. Exp. 巻: 24 号: 26 ページ: 30326-30337
  • DOI: 10.1364/oe.24.030328
  • NAID: 120005982553
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Real-space coherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertz fields (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Minami, M. Kitajima, S. Yoshida, H. Shigekawa, and J. Takeda
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 10 号: 12 ページ: 762-765
  • DOI: 10.1038/nphoton.2016.205
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-Acquisition-Rate Single-Shot Pump-Probe Measurements Using Time-Stretching Method (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, Y. Minami, C. L. Johnson, P. D. Salmans, N. R. Ellsworth, J. Takeda, J. A. Johnson, and I. Katayama
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 6 号: 1 ページ: 37614-37614
  • DOI: 10.1038/srep37614
  • NAID: 120006534976
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Terahertz Dielectric Response of Photoexcited Carriers in Si Revealed via Single-Shot Optical-Pump and Terahertz-Probe Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Minami, K. Horiuchi, K. Masuda, J. Takeda, and I. Katayama
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 107 号: 17
  • DOI: 10.1063/1.4934697
  • NAID: 120005667737
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Terahertz-Induced Acceleration of Massive Dirac Electrons in Semimetal Bismuth (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Minami, K. Araki, T. D. Dao, T. Nagao, M. Kitajima, J. Takeda, and I. Katayama
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 5 号: 1
  • DOI: 10.1038/srep15870
  • NAID: 120006541921
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-Time Observation of Phonon-Polariton Dynamics in Ferroelectric LiNbO3 in Time-Frequency Space (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Ikegaya, H. Sakaibara, Y. Minami, I. Katayama and J. Takeda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 107 号: 6 ページ: 062901-062901
  • DOI: 10.1063/1.4928480
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Revealing the Nonthermal Dynamics of Near-UV Photoexcitation-Induced Amorphization in Ge2Sb2Te5 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, W. Oba, M. Kuwahara, I. Katayama, T. Saiki, J. Takeda, and K. G. Nakamura
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 5 号: 1
  • DOI: 10.1038/srep13530
  • NAID: 120005667739
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Time-Frequency Two-Dimensional Imaging Spectroscopy Using a Reflective Echelon Mirror (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Takeda, Y. Minami, and I. Katayama
  • 雑誌名: Rev. Laser Eng. 巻: 43 ページ: 208-212
  • NAID: 130007957109
  • 査読あり
• [雑誌論文] ナノカーボンのディラック電子＝フォノン間相互作用ダイナミクス (2015)
  • 著者名/発表者名: 片山郁文、武田淳、北島正弘
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 70 ページ: 770-775
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Terahertz-field-induced tunneling in metals and semi-metals (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikufumi Katayama
  • 学会等名: International Workshop on Terahertz Nanoscience and Nanotechnology
  • 発表場所: 大阪大学
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast Manipulation of Electron Transfer in a Tunnel Junction using Carrier-Envelope Phase Controlled THz-STM (2016)
  • 著者名/発表者名: Katsumasa Yoshioka, Ikufumi Katayama, Yasuo Minami, Masahiro Kitajima, Shoji Yoshida, Hidemi Shigekawa, and Jun Takeda
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM24)
  • 発表場所: ハワイコンベンションセンター
  • 年月日: 2016-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] Single-shot Terahertz Detection Using a GHz Bandwidth Oscilloscope (2016)
  • 著者名/発表者名: I. Katayama, M. Kobayashi, Y. Minami, J. Takeda, C. L. Johnson, P. D. Salmans, N. R. Ellesworth, and J. A. Johnson
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimater and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016）
  • 発表場所: コペンハーゲン・デンマーク
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Real-Time Mapping of High-Frequency Phonon-Polariton Dispersions in Ferroelectric LiNbO3 (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kuribayashi, Y. Shiozawa, Y. Minami, I. Katayama, and J. Takeda
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimater and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: コペンハーゲン・デンマーク
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent Control of the Motion of Electrons in a Tunnel Junction via Single-Cycle THz Electric Field (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Minami, M. Kitajima, S. Yoshida, H. Shigekawa, and J. Takeda
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimater and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: コペンハーゲン・デンマーク
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Fast-Frame Single-Shot Acquisition of Ultrafast Waveforms (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, J. A. Johnson, Y. Minami, C. L. Johnson, P. D. Salmans, N. R. Ellsworth, J. Takeda, I. Katayama
  • 学会等名: International Conference on Ultrafast Phenomena 2016
  • 発表場所: サンタフェ・米国
  • 年月日: 2016-07-17
  • 国際学会
• [学会発表] Femtosecond Carrier Dynamics of Metallic Single-Walled Carbon Nanotubes under Applied Bias-Voltage (2016)
  • 著者名/発表者名: I. Katayama, K. Maekawa, Y. Minami, M. Kitajima, K. Yanagi, J. Takeda
  • 学会等名: International Conference on Ultrafast Phenomena 2016
  • 発表場所: サンタフェ・米国
  • 年月日: 2016-07-17
  • 国際学会
• [学会発表] Real-Space Control of the Electron Transfer in a Tunnel Junction with Single-Cycle THz Electric Field (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Minami, M. Kitajima, S. Yoshida, H. Shigekawa, J. Takeda
  • 学会等名: Ultrafast Dynamics at the Nanoscale 2016
  • 発表場所: サンタフェ・米国
  • 年月日: 2016-07-17
  • 国際学会
• [学会発表] Chirality Determination of Carbon Nanotube Solution Using Coherent Phonon Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: R-J. Xu, I. Katayama, Y. Minami, M. Kitajima, K. Yanagi, and J. Takeda
  • 学会等名: The 16th International Conference on the Science and Application of Nanotubes
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 年月日: 2015-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamics of Coherent Phonons in Metallic Single-walled Carbon Nanotubes (2015)
  • 著者名/発表者名: I. Katayama, K. Maekawa, K. Sato, Y. Minami, K. Yanagi, M. Kitajima, and J. Takeda
  • 学会等名: The 16th International Conference on the Science and Application of Nanotubes
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 年月日: 2015-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic and Coherent-Phonon Resonances in Metallic Single-Walled Carbon Nanotubes (2015)
  • 著者名/発表者名: I. Katayama, K. Sato, Y. Minami, M. Kitajima, K. Yanagi, and J. Takeda
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics
  • 発表場所: Lake Biwa, Japan
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際学会
• [学会発表] Long-lived Photoexcited Carriers in Si Revealed via THz Single-shot Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Minami, K. Masuda, K. Horiuchi, M. Kitajima, J. Takeda, and I. Katayama
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics
  • 発表場所: Lake Biwa, Japan
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast Expansion of Vibronic Modes in Alkanthiol Chain Adsorbed on Silver Nano-particles (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shudo, N.Sugiyama, I.Katayama, M. Kitajima, and J. Takeda
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics
  • 発表場所: Lake Biwa、Japan
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz Response of Long-lived Photoexcited Electrons in Silicon Observed Using Singleshot Terahertz Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: I. Katayama, K. Masuda, K. Horiuchi, Y. Minami, and J. Takeda
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2015)
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2015-05-10
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Dynamics in a Gold Thin Film Accelerated via an Intense Terahertz Field (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Minami, T. D. Dao, T. Nagao, J. Takeda, M. Kitajima, and I. Katayama
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2015)
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2015-05-10
  • 国際学会
• [学会発表] Broadband Single-Shot Spectroscopy Applicable to Photoinduced Nonlinear Dynamics (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Takeda, Y. Minami and I. Katayama
  • 学会等名: Korea-Japan Joint Symposium on Semiconductor Physics and Nanophotonics
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2015-04-22
  • 国際学会
• [備考] 武田片山研究室HP
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/index.html
• [備考] 光ナノ計測研究拠点
  • URL: http://www.laser-nanoscience.ynu.ac.jp/ja/
• [備考] 武田・片山・南研究室HP
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/index.html
• [備考] YNU研究拠点「光ナノ計測」
  • URL: http://www.laser-nanoscience.ynu.ac.jp/ja/