位相制御サブサイクル近赤外パルスによる強相関電子系の磁性・誘電性制御

• 研究課題/領域番号: 17K14317
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物性Ⅰ
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 川上 洋平 東北大学, 理学研究科, 助教 (60731172)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2017年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 超高速ダイナミクス / 光誘起相転移 / 光強電場効果 / 光磁気効果 / 第二高調波発生 / 強相関電子系 / 有機超伝導体 / 量子スピン液体 / 単一サイクル赤外光 / 超高速分光

研究成果の概要

高強度の極短赤外パルス光を用いて、強相関電子系の磁性／誘電性の超高速制御を実験的に検証した。自作の光源（パルス幅 <6 fs、瞬時電場強度 >100 MV/cm）を用いて、強相関電子系を対象に時間分解実験を行った。電荷秩序絶縁体α-(BEDT-TTF)2I3では絶縁体から金属への完全な光誘起相転移とそれに伴う強誘電性の消失（伝導性／誘電性の変化）、有機超伝導体κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brでは超伝導転移に敏感な誘導放出と第二高調波発生（光機能性）が観測され、キタエフ型量子スピン液体候補物質α-RuCl3では超高速磁気操作の可能性が示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

超伝導や強磁性、強誘電性、マルチフェロイクスといった特徴的な電気・磁気的性質を示す強相関電子系は次世代超高速エレクトロニクスを支える候補材料のひとつである。本研究では、その電子物性の超高速光制御を検証した。極限的な単一サイクル～サブサイクル光を用いた実験から、電荷秩序型有機物質における強誘電性の光消失、非BCS型有機超伝導体における非摂動論的な電荷駆動や新奇な光機能性を観測し、さらに、量子スピン液体におけるフェムト秒磁気操作の可能性も示された。これらの結果は、強相関電子系物質と高強度極短パルス光を組み合わせた次世代超高速エレクトロニクスの基幹技術の創生につながる。

研究成果

• [国際共同研究] レンヌ第一大学/ナント大学(フランス)
• [国際共同研究] レンヌ第一大学/ナント大学(フランス)
• [雑誌論文] Nonlinear charge oscillation driven by a single-cycle light field in an organic superconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawakami, T. Amano, Y. Yoneyama, Y. Akamine, H. Itoh, G. Kawaguchi, H. M. Yamamoto, H. Kishida, K. Itoh, T. Sasaki, S. Ishihara, Y. Tanaka, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 12 号: 8 ページ: 474-478
  • DOI: 10.1038/s41566-018-0194-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strong light-field effects driven by nearly single-cycle 7fs light-field in correlated organic conductors (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawakami, H. Itoh, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • 雑誌名: J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 巻: 51 号: 17 ページ: 174005-174005
  • DOI: 10.1088/1361-6455/aad40a
  • 査読あり
• [学会発表] 6 fs単一サイクル近赤外パルスによる有機超伝導体の第2、第3高調波発生II (2020)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平, 天野辰哉, 伊藤弘毅, 川口玄太, 山本浩史, 中村優斗, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 石原純夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における超高速スピンダイナミクス II (2020)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] ディラック半金属SrIrO3薄膜における光キャリアダイナミクス II (2020)
  • 著者名/発表者名: 大橋拓純, 赤嶺勇人, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3における超高速スピンダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 5d電子系半金属SrIrO3薄膜の超高速光応答II (2019)
  • 著者名/発表者名: 赤嶺勇人, 大橋拓純, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 6 fs単一サイクル近赤外パルスによる有機超伝導体の第2、第3高調波発生 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平, 天野辰哉, 伊藤弘毅, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 石原純夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] ディラック半金属SrIrO3薄膜における光キャリアダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 大橋拓純, 赤嶺勇人, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 単一サイクル光強電場が駆動する有機超伝導体の非線形電荷振動 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平、天野辰哉、伊藤弘毅、川口玄太、山本浩史、岸田英夫、伊藤桂介、佐々木孝彦、石原純夫、田中康寛、米満賢治、岩井伸一郎
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Photoinduced charge-order melting triggered by 6 fs single-cycle infrared pulses in α-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawakami, Y. Akamine, T. Amano, H. Itoh, K. Yamamoto, Y. Nakamura, H. Kishida, T. Sasaki, S. Ishihara, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • 学会等名: The 12 International conference on excitonic and photonic processes in condensed matter and nano materials (EXCON2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 6 fs infrared spectroscopy in a Mott insulator V2O3 (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Amano, Y. Kawakami, Y. Akamine, Y. Yoneyama, H. Itoh, Y. Nakamura, H. Kishida, S. Ishihara, L. Cario, E. Janod, B. Corraze, M. Lorenc, and S. Iwai
  • 学会等名: The 12 International conference on excitonic and photonic processes in condensed matter and nano materials (EXCON2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 6 fs単一サイクル光強電場による有機超伝導体の非線形電荷振動II (2018)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平, 天野辰哉, 米山雄登, 赤嶺勇人, 伊藤弘毅, 川口玄太, 山本浩史, 岸田英夫, 伊藤桂介, 佐々木孝彦, 石原純夫, 田中康寛, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] ハニカム格子物質α-RuCl3の超高速光応答 (2018)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 赤嶺勇人, 川上洋平, 伊藤弘毅, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] V2O3多結晶薄膜における光誘起絶縁体-金属転移の超高速ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 赤嶺勇人, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 石原純夫, Laurent Cario, Etienne Janod, Benoit Corraze, Maciej Lorenc, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 6 fs単一サイクル光強電場による有機超伝導体の非線形電荷振動III (2018)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平, 天野辰哉, 赤嶺勇人, 伊藤弘毅, 川口玄太, 山本浩史, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 石原純夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] V2O3多結晶薄膜における光誘起絶縁体-金属転移の超高速ダイナミクス II (2018)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 石原純夫, Laurent Cario, Etienne Janod, Benoit Corraze, Maciej Lorenc, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 5d電子系半金属SrIrO3薄膜の超高速光応答 (2018)
  • 著者名/発表者名: 赤嶺勇人, 天野辰哉, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] ハニカム格子物質α-RuCl3の超高速光応答 II (2018)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 赤嶺勇人, 大橋拓純, 川上洋平, 伊藤弘毅, 長谷川慶直, 佐々木宏也, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 6fs単一サイクル赤外光によるa-(ET)2I3の電荷秩序融解II；反射率変化とSHG強度の変化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 赤嶺勇人，天野辰哉，川上洋平，伊藤弘毅，山本薫，中村優斗，岸田英夫，佐々木孝彦，石原純夫，米満賢治，岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 6fs単一サイクル光強電場による有機超伝導体の非線形電荷振動 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平，天野辰哉，米山雄登，赤嶺勇人，伊藤弘毅，川口玄太，山本浩史，岸田英夫，伊藤桂介，佐々木孝彦，石原純夫，田中康寛，米満賢治，岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 反強磁性モット絶縁体V2O3の赤外6fs分光III (2018)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉，赤嶺勇人，米山雄登，川上洋平，伊藤弘毅，中村優斗，岸田英夫，石原純夫，Laurent Cario，Etienne Janod，Benoit Corraze, Maciej Lorenc，岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] Polarization Selectivity of Charge Localization Induced by 7-fs Nearly Single-Cycle Light-Field in an Organic Metal (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawakami, Y. Yoneyama, T. Amano, H. Itoh, K. Yamamoto, Y. Nakamura, H. Kishida, T. Sasaki, S. Ishihara, Y. Tanaka, K. Yonemitsu and S. Iwai
  • 学会等名: 12th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 6 fs単一サイクル赤外光によるα-(ET)2I3の電荷秩序融解 (2017)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平，天野辰哉，米山雄登，伊藤弘毅，山本薫，中村優斗，岸田英夫，佐々木孝彦，石原純夫，米満賢治，岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 6 fs単一サイクル赤外光によって生成されるκ型ET塩のドレスト電子状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 米山雄登，天野辰哉，川上洋平，伊藤弘毅，米山直樹，伊藤桂介，佐々木孝彦，米満賢治，石原純夫，岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] 反強磁性モット絶縁体V2O3の赤外6 fs分光 II (2017)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉，米山雄登，川上洋平，伊藤弘毅，中村優斗，岸田英夫，石原純夫，Laurent Cario，Etienne Janod，Benoit Corraze，Maciej Lorenc，岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] Ultrafast orbital excitation by 6 fs pulse in V2O3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawakami, T. Kato, Y. Yoneyama, T. Amano, H. Itoh, K. Itoh, T. Sasaki, Y. Nakamura, H. Kishida, L. Cario, E. Janod, B. Corraze, M. Lorenc and S. Iwai
  • 学会等名: 6th International Conferences on Photoinduced Phase Transitions (PIPT6)
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast Mott-criticality driven by strong-field of single-cycle infrared pulse in organic salts (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoneyama, Y. Kawakami, T. Amano, H. Itoh, N. Yoneyama, T. Sasaki, K. Yonemitsu, S. Ishihara and S. Iwai
  • 学会等名: 6th International Conferences on Photoinduced Phase Transitions (PIPT6)
  • 国際学会
• [備考] 有機超伝導体における光の増幅現象を発見-レーザーの原理で超伝導の機構を解明する-
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2018/06/press20180626-02.html