動的機能を有する物質開拓のための超高速三次元構造ダイナミクス

• 研究課題/領域番号: 20H01832
• 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: 筑波大学
• 研究代表者: 羽田 真毅 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70636365)
• 研究分担者: 仁科 勇太 岡山大学, 異分野融合先端研究コア, 研究教授 (50585940) ; 恩田 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (60272712) ; 大村 訓史 広島工業大学, 工学部, 准教授 (90729352)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円); 2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2020年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
• キーワード: 超高速現象 / フェムト秒レーザー / 電子線回折 / 構造ダイナミクス / 時間分解電子線回折法 / 時間分解電子線回折

研究開始時の研究の概要

本研究では、フェムト秒からピコ秒の時間幅を持つパルス電子線を用いた斜入射型の時間分解電子線回折装置を構築し、既存の透過型の時間分解電子線回折装置と組み合わせることで、時間一次元、空間三次元の超高速構造ダイナミクスの可視化技術を創出する。本技術を活用して、無機物質、有機分子、炭素材料など多彩な物質の非平衡状態の構造変化と機能との関係を世界に先駆けて展開し、非平衡超高速構造変化と機能の関係解明のための次世代の超高速三次元構造ダイナミクス観測の科学技術基盤を開拓する。

研究成果の概要

本研究では、フェムト秒からピコ秒の時間幅を持つパルス電子線を用いた斜入射型の時間分解電子線回折装置を構築し、既存の透過型の時間分解電子線回折装置と組み合わせることで、時間一次元、空間三次元の超高速構造ダイナミクスの可視化技術を創出する。我々はピコ秒の斜入射型の時間分解電子線回折装置の開発に成功し、テラヘルツ波を用いたストリーキング技術を用いて、そのパルス電子線のパルス幅が約2.6psであることが実験的に確認された。また、既存の装置を用いて様々な試料における構造ダイナミクスも計測できており、この二つの装置を用いた相補的な構造ダイナミクスの計測実験も進めていく予定である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

物質の機能は、物質に光などの外部刺激を与えた際に生じる物質中の原子・分子あるいは電子などの運動によって生じる。原子や分子の運動を直接的に可視化する技術が求められており、我々の開発したフェムト秒からピコ秒の時間幅を持つパルス電子線を用いた斜入射型の時間分解電子線回折装置はその要望に応えることができる計測装置である。本計測装置の実現により、共同研究を通して多くの物質中の原子・分子の運動の詳細が明らかとなる。すなわち、物質の機能解明につながり、よりよい材料の設計指針となる計測となりえると期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] レンヌ第一大学(フランス)
• [国際共同研究] University of Surrey(英国)
• [雑誌論文] Development of a Multitimescale Time-Resolved Electron Diffraction Setup: Photoinduced Dynamics of Oxygen Radicals on Graphene Oxide (2022)
  • 著者名/発表者名: Saida Yuri、Shikata Ryo、En-ya Kaito、Ohmura Satoshi、Nishina Yuta、Hada Masaki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 126 号: 36 ページ: 6301-6308
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.2c04075
  • 査読あり
• [雑誌論文] Streaking of a Picosecond Electron Pulse with a Weak Terahertz Pulse (2022)
  • 著者名/発表者名: Yajima Wataru、Arashida Yusuke、Nishimori Ryota、Emoto Yuga、Yamamoto Yuki、Kawasaki Kohei、Saida Yuri、Jeong Samuel、Akada Keishi、Takubo Kou、Shigekawa Hidemi、Fujita Jun-ichi、Koshihara Shin-ya、Yoshida Shoji、Hada Masaki
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 10 号: 1 ページ: 116-124
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of the mechanical and thermal transport properties of carbon nanotube yarns by boundary structure modulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Shikata Ryo、Suzuki Hiroo、Hayashi Yuta、Hasegawa Taisuke、Shigeeda Yuho、Inoue Hirotaka、Yajima Wataru、Kametaka Jun、Maetani Mitsuaki、Tanaka Yuichiro、Nishikawa Takeshi、Maeda Satoshi、Hayashi Yasuhiko、Hada Masaki
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 33 号: 23 ページ: 235707-235707
  • DOI: 10.1088/1361-6528/ac57d5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tracking the light-driven layer stacking of graphene oxide (2021)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Ohmura Satoshi、Yamamoto Yuki、Kishibe Yoshiya、Yajima Wataru、Shikata Ryo、Iguchi Tomohiro、Akada Keishi、Yoshida Shoji、Fujita Jun-ichi、Koshihara Shin-ya、Nishina Yuta
  • 雑誌名: Carbon 巻: 183 ページ: 612-619
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.07.058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoinduced Oxygen Transport in Cobalt Double-Perovskite Crystal EuBaCo2O5.39 (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, S. Ohmura, T. Ishikawa, M. Saigo, N. Keio, W. Yajima, T. Suzuki, D. Urushihara, K. Takubo, Y. Masaki, M. Kuwahara, K. Tsuruta, Y. Hayashi, J. Matsuo, T. Yokoya, K. Onda, F. Shimojo, M. Hase, S. Ishihara, T. Asaka, N. Abe, T. Arima, S. Koshihara, Y. Okimoto
  • 雑誌名: Appl. Mater. Today 巻: 24 ページ: 101167-101167
  • DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101167
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Challenges for developing photo-induced phase transition (PIPT) systems: from classical (incoherent) to quantum (coherent) control of PIPT dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Koshihara, T. Ishikawa, Y. Okimoto, K. Onda, R. Fukaya, M. Hada, Y. Hayashi, S. Ishihara, T. Luty
  • 雑誌名: Phys. Rep. 巻: 942 ページ: 1-61
  • DOI: 10.1016/j.physrep.2021.10.003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phonon transport probed at carbon nanotube yarn/sheet boundaries by ultrafast structural dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Makino Kotaro、Inoue Hirotaka、Hasegawa Taisuke、Masuda Hideki、Suzuki Hiroo、Shirasu Keiichi、Nakagawa Tomohiro、Seki Toshio、Matsuo Jiro、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Koshihara Shin-ya、Stolojan Vlad、Silva S. Ravi P.、Fujita Jun-ichi、Hayashi Yasuhiko、Maeda Satoshi、Hase Muneaki
  • 雑誌名: Carbon 巻: 170 ページ: 165-173
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2020.08.026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Exploring Structures and Dynamics of Molecular Assemblies: Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Nishina Yuta、Kato Takashi
  • 雑誌名: Accounts of Chemical Research 巻: 54 号: 3 ページ: 731-743
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00576
  • 査読あり
• [学会発表] Multitimescale time-resolved electron diffraction measurements for nanocarbon materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hada
  • 学会等名: 第64回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast time-resolved electron diffraction measurements for material science (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hada, Kou Takubo, Yoichi Okimoto, Shin-ya Koshihara
  • 学会等名: LSC2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超高速時間分解電子線回折法を用いた炭素材料の構造ダイナミクス計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 第59回炭素材料夏季セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 超高速時間分解構造ダイナミクス計測のナノカーボン材料への展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 第11回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン若手研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Multi-timescale Photoinduced Structural Dynamics Measurements of Graphene Oxide (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuri Saida, Ryo Shikata, Satoshi Ohmura, Yuta Nishina, Masaki Hada
  • 学会等名: IVC22
  • 国際学会
• [学会発表] 超高速時間分解電子線回折法の液晶のダイナミクス研究への展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 2022年日本液晶討論会
  • 招待講演
• [学会発表] テラヘルツ波による極短パルス電子線のパルス幅計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 矢嶋 渉, 嵐田 雄介, 西森 亮太, 江本 悠河, 山本 祐揮, 川崎 康平, 齋田 友梨, 鄭 サムエル, 赤田 圭史, 田久保 耕, 重川 秀実, 藤田 淳一, 腰原 伸也, 吉田 昭二, 羽田 真毅
  • 学会等名: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 光剥離する有機分子材料の構造ダイナミクスの相依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋田 友梨, 小西 智暉, 佐藤 竜馬, 中池 由美, 矢嶋 渉, 四方 諒, 山田 洋一, 原 光生, 齊藤 尚平, 羽田 真毅
  • 学会等名: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Cu2Sナノ粒子の光照射による超イオン伝導体相への構造変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 上野 辰, 四方 諒, 齋田 友梨, 坂本 雅典, 羽田 真毅
  • 学会等名: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Ultrafast time-resolved electron diffraction measurements aimed at the research for dynamics of liquid crystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hada
  • 学会等名: OLC2021SWS2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a terahertz pump and electron diffraction probe setup for the dynamics measurements of liquid crystals (2022)
  • 著者名/発表者名: W. Yajima, Y. Arashida, R. Nishimori, Y. Emoto, Y. Yamamoto, K. Kawasaki, Y. Saida, S. Jeong, K. Akada, K. Takubo, H. Shigekawa, J. Fujita, S. Koshihara, S. Yoshida, M. Hada
  • 学会等名: OLC2021SWS2022
  • 国際学会
• [学会発表] Phase dependence of structural dynamics and adhesive function of light-melt adhesive materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Saida, T. Konishi, R. Sato, Y. Nakaike, W. Yajima, R. Shikata, Y. Yamada, M. Hara, S. Saito, M. Hada
  • 学会等名: OLC2021SWS2022
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a multitimescale time-resolved electron diffraction setup: from picosecond to millisecond timescale (2022)
  • 著者名/発表者名: K. En-ya, Y. Saida, R. Shikata, S. Ohmura, Y. Nishina, M. Hada
  • 学会等名: OLC2021SWS2022
  • 国際学会
• [学会発表] 超高速時間分解電子線回折法 システムとそのアプリケーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会のその場観察分科会2022年研究討論会
  • 招待講演
• [学会発表] カーボンナノチューブ・窒化ホウ素ナノチューブヘテロ接合に生じる超高速エネルギー移動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 四方諒、岸淵美咲、矢嶋渉、鈴木弘朗、大村訓史、林靖彦、羽田真毅
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 光剥離する有機液晶分子の超高速構造ダイナミクス計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋田友梨、小西智暉、佐藤竜馬、中池由美、矢嶋渉、四方諒、原光生、齊藤尚平、羽田真毅
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 時間分解電子線回折法を用いたグラフェン誘導体の構造ダイナミクス計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 応用物理学会M&BE新分野開拓研究会
  • 招待講演
• [学会発表] カーボンナノチューブの界面構造と熱特性・機械特性の相関 (2021)
  • 著者名/発表者名: 四方諒、鈴木弘朗、亀高諄、重枝勇歩、井上寛隆、矢嶋渉、前谷光顕、田中佑一郎、西川亘、林靖彦、羽田真毅
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Real-time Control of Liquid Crystalline Adhesive by Turning Ultraviolet Light On and Off (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Konishi, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, Y. Shimoda, K. Miyata, Y. Yoneda, H. Kuramochi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, T. Yamakado, R. Kotani, S. Saito
  • 学会等名: 2021年光化学討論会
• [学会発表] Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Capturing Layer Stacking Dynamics of Graphene Oxide (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamamoto, S. Ohmura, Y. Kishibe, W. Yajima, R. Shikata, K. Akada, S. Yoshida, J. Fujita, S. Koshihara, Y. Nishina, M. Hada
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular liquid crystal adhesive that melts by light: Mechanism elucidation of the photomelting function (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Konishi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, S. Saito
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Light-melt adhesives: Structural design and adhesive performances (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Konishi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, S. Saito
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast time-resolved electron diffraction with double-pulse-excitation applied to the light-melt adhesive based on a flapping triphenylene liquid crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Saida, T. Konishi, R. Sato, Y. Nakaike, W. Yajima, R. Shikata, M. Hara, S. Saito, M. Hada
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast collective motions of liquid-crystalline azobenzene molecules observed by ultrafast time-resolved electron diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, D. Yamaguchi, T. Kato
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast collective motions induced by the photoisomerization of liquid crystalline azobenzene molecules (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, D. Yamguchi, T. Ishikawa, T. Sawa, K. Tsuruta, K. Ishikawa, S. Koshihara, Y. Hayashi, T. Kato
  • 学会等名: Pacifichem 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 超高速時間分解電子線回折法を用いた酸化グラフェンの光還元メカニズムの解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] Correlation between the thermal and mechanical properties of the high temperature thermal- treated carbon nanotube yarns (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryo Shikata, Yuho Shigeeda, Hirotaka Inoue, Hiroo Suzuki, Wataru Yajima, Tomohiro Nakagawa, Takeshi Nishikawa, Yoshifumi Yamashita, Yasuhiko Hayashi, Masaki Hada
  • 学会等名: FNTG60
• [学会発表] 超高速時間分解電子線回折法ーイオン移動と強くカップルした光誘起電荷移動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 超高分解能顕微鏡法分科会究会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast time-resolved electron diffraction captures dynamics of carbon nanostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hada
  • 学会等名: CEMS Topical Meeting Online
  • 招待講演
• [学会発表] 時間分解電子回折で見た遷移金属化合物結晶薄膜の光誘起構造ダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 羽田 真毅、石川 忠彦、大村 訓史、慶尾 直哉、田久保 耕、鈴木 達也、浅香 透、林 靖彦、阿部 伸行、有馬 孝尚、腰原 伸也、沖本 洋一
  • 学会等名: 第81回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 複雑な系での化学 (2020)
  • 著者名/発表者名: 仁科勇太
  • 学会等名: 化学フロンティア研究会
• [学会発表] 二次元ナノカーボンの化学～作製・構造解析から用途開拓まで～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 仁科勇太
  • 学会等名: 創造機能化学第116委員会講演会
• [備考] 筑波大学数理物質系 羽田研究室
  • URL: https://hadamasaki.com
• [備考] 筑波大学数理物質系 羽田研究室
  • URL: https://hadamaskai.com