超高速非平衡現象の電子論

• 研究課題/領域番号: 18H01148
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 石田 行章 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任講師 (30442924)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円); 2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
• キーワード: 時間分解光電子分光 / トポロジカル絶縁体 / 光起電力 / 非占有側バンド分散 / キャリアダイナミクス / 時間分解光電子分光法 / 仕事関数 / 表面分極 / ファイバーレーザー / 表面光起電力 / 超高速現象 / 電子状態 / 光電子分光 / トポロジカル相 / 非平衡電子状態 / 強相関電子系

研究成果の概要

2台の時間分解ARPES装置を用いた精密測定を通して、固体物質やその表層に生じる非平衡現象を電子論的に研究した。具体的には以下のテーマを進めた。①ARPESでは見ることのできない非占有側のバンド分散を直接観測できるという原理を利用して物質のトポロジカル相の分類をすすめた。②固体表層数ナノメートル域の光現象を観測できるという特徴を生かして、トポロジカル絶縁体表面に現れる光起電力、反転転分布、ナノ秒に迫る励起の持続を利用した新機能を追究し、THｚ域の光機能創成および光エレクトロニクスに資する研究を展開した。③非平衡ダイナミクスの理解や法則の確立を目指して、キャリアダイナミクスの高精度測定を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により固体物質における非平衡現象の理解が進み、トポロジカル相の分類が進展し、光エレクトロニクスのための新しい機能が探求され、キャリアダイナミクスの高精度測定が確立された。これらの知見は材料科学や凝縮物理学などの分野に影響を与え、先端技術の開発に寄与する可能性がある。

研究成果

• [国際共同研究] ソウル国際大学/IBS-CCES(韓国)
• [国際共同研究] ウィーン工科大学(オーストリア)
• [国際共同研究] Philipps-University(ドイツ)
• [国際共同研究] ソウル国際大学/韓国科学院(韓国)
• [国際共同研究] IBS-CCES(韓国)
• [国際共同研究] Sobolev Inst. of Geology and Mineralogy/Novosibirsk State University/Saint Petersburg State University(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Boosting the surface conduction in a topological insulator (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Taupin, G. Eguchi, M. Luznik, A. Steiger-Thirsfeld, Y. Ishida, K. Kuroda, S. Shin, A. Kimura, S. Paschen
  • 雑誌名: Physical Review B (accepted) 巻: xxx
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast probes of photovoltage and two-dimensional electron gas in the topological insulator Bi2Te3 by angle-resolved photoemission and terahertz spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Bumjoo Lee, Yukiaki Ishida, Jonghyeon Kim, Jinsu Kim, Na Hyun Jo, So Yeun Kim, Inho Kwak, Min-Cheol Lee, Kyungwan Kim, Jae Hoon Kim, Myung-Hwa Jung, Shik Shin, Tae Won Noh, and Hyunyong Choi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 19 ページ: 195430-195430
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.195430
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of the sample work function on alkali metal dosing induced electronic structure change (2021)
  • 著者名/発表者名: Saegyeol Jung, Yukiaki Ishida, Minsoo Kim, Masamichi Nakajima, Shigeyuki Ishida, Hiroshi Eisaki, Woojae Choi, Yong Seung Kwon, Jonathan Denlinger, Toshio Otsu, Yohei Kobayashi, Soonsang Huh, Changyoung Kim
  • 雑誌名: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 巻: 249 ページ: 147045-147045
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2021.147045
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast surface Dirac fermion dynamics of Sb2Te3-based topological insulators (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, J. G_dde, U. H_fer, S. Shin, and A. Kimura
  • 雑誌名: Prog. Sur. Sci. 巻: 96 号: 2 ページ: 100628-100628
  • DOI: 10.1016/j.progsurf.2021.100628
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A compact and stable incidence-plane-rotating second harmonics detector (2021)
  • 著者名/発表者名: Kim S. H.、Jung S.、Seok B.、Kim Y. S.、Park H.、Otsu T.、Kobayashi Y.、Kim C.、Ishida Y.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 4 ページ: 043905-043905
  • DOI: 10.1063/5.0047337
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Topologically nontrivial phase-change compound GeSb2Te4 (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Nurmamat, K. Okamoto, S. Zhu, T. V. Menshchikova, I. P. Rusinov, V. O. Korostelev, K. Miyamoto, T. Okuda, T. Miyashita, X. Wang, Y. Ishida, K. Sumida, E. F. Schwier, M. Ye, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, K. Shimada, S. Shin, A. Kimura
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 14 号: 7 ページ: 9059-9065
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c04145
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Work function seen with sub-meV precision through laser photoemission (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishida Y.、Jung J. K.、Kim M. S.、Kwon J.、Kim Y. S.、Chung D.、Song I.、Kim C.、Otsu T.、Kobayashi Y.
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 3 号: 1 ページ: 158-158
  • DOI: 10.1038/s42005-020-00426-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of unoccupied states of SnTe(111) using pump-probe ARPES measurement (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito Hiroshi、Otaki Yusuke、Tomohiro Yuta、Ishida Yukiaki、Akiyama Ryota、Kimura Akio、Shin Shik、Kuroda Shinji
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 4 ページ: 043120-043120
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bidirectional surface photovoltage on a topological insulator (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshikawa, K. Sumida, Y. Ishida, J. Chen, M. Nurmamat, K. Akiba, A. Miyake, M. Tokunaga, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, A. Kimura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 16 ページ: 165311-165311
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.165311
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast nematic-orbital excitation in FeSe (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Shimojima, Y. Suzuki, A. Nakamura, N. Mitsuishi, S. Kasahara, T. Shibauchi, Y. Matsuda, Y. Ishida, S. Shin, K. Ishizaka
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 1946-1946
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09869-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inverted Dirac-electron population in a thermally activated topological insulator (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, T. Yoshikawa, J. Chen, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 8 ページ: 085302-085302
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.085302
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced photovoltage on the surface of topological insulator by optical aging (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Yoshikawa, Yukiaki Ishida, Kazuki Sumida, Jiahua Chen, Konstantin, A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 112 号: 19 ページ: 192014-192014
  • DOI: 10.1063/1.5008466
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Revealing Solar-Cell Photovoltage Dynamics at the Picosecond Time Scale with Time-Resolved Photoemission Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Hazama, Y. Ishida, L. Zhu, C. Kim, S. Shin, H. Akiyama
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 10 号: 3 ページ: 034056-034056
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.10.034056
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast dynamics of unoccupied surface resonances state of Bi2Te2Se (2018)
  • 著者名/発表者名: Munisa Nurmamat, K. Sumida, Y. Ishida, J. Chen, T. Yoshikawa, E. E. Krasovskii, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, Shik Shin and Akio Kimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 97 号: 11 ページ: 115303-115303
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.115303
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Prolonged photo-carriers generated in a massive-and-anisotropic Dirac material (2018)
  • 著者名/発表者名: Nurmamat Munisa、Ishida Yukiaki、Yori Ryohei、Sumida Kazuki、Zhu Siyuan、Nakatake Masashi、Ueda Yoshifumi、Taniguchi Masaki、Shin Shik、Akahama Yuichi、Kimura Akio
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-018-27133-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Laser ARPES for the Precise Detection of Slowest Photoelectrons and Work functions (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishida
  • 学会等名: The 17th Japan-Korea symposium on molecular science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved ARPES study of Dirac and topological materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishida
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Natural Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved ARPES study of Dirac and topological materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishida
  • 学会等名: 2019 KPS Fall Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Photoelectron work function seen with 1-meV precision (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishida
  • 学会等名: 2019 KPS Fall Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] “Slit-less” ARPES analyzers: Some utilities and prospects in surface photo-electronics (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishida
  • 学会等名: Momentum Microscopy & Spectroscopy for Materials Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved ARPES (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Ishida
  • 学会等名: Korean Physics Society, Spring Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Measuring the work function precisely
  • URL: https://engineeringcommunity.nature.com/posts/measuring-the-work-function-precisely
• [備考] Measuring the work function precisely
  • URL: https://go.nature.com/30cyXYr