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超高速光磁気効果を用いたトポロジカル物質におけるスピンダイナミクスの研究

研究課題

研究課題/領域番号 23K22422
補助金の研究課題番号 22H01151 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
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

長谷 宗明  筑波大学, 数理物質系, 教授 (40354211)

研究分担者 齊藤 雄太  東北大学, グリーンクロステック研究センター, 教授 (50738052)
Fons Paul  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (90357880)
畑山 祥吾  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (50910501)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2023年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2022年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
キーワードスピン / トポロジカル物質 / 第一原理計算 / フェムト秒レーザー / ワイル半金属 / 逆ファラデー効果 / フェムト秒
研究開始時の研究の概要

近年、物質への超短光パルス照射により光磁気効果が物質内で生じ、有効磁場を励起できることが分かり、トポロジカル物質、特にワイル半金属などにおいても観測の可能性が示唆されている。本研究では、波長800nmの近赤外域フェムト秒パルスレーザーと非線形光学効果を駆使し、さらに第一原理計算による理論的考察も行い、トポロジカル絶縁体やワイル半金属など、新規トポロジカル物質におけるスピンダイナミクスの物理の解明を目指す。

研究実績の概要

今年度は、昨年度に引き続き、既存のフェムト秒レーザー再生増幅器+光パラメトリック増幅器(中心波長800 nm, 1100~1600 nm, <60 fs, 繰り返し100 kHz)を活用して、典型的なトポロジカル絶縁体であるBi2Se3単結晶試料において時間分解カー回転信号の波長依存性を取得し、さらに幅広いエネルギー領域における分光エリプソメトリ測定と第一原理計算によるBi2Se3のバンド構造計算結果における考察から、バルクのバンド間遷移(約1 eV)に共鳴したスピンダイナミクスを明らかにした。この研究成果については、学会で発表した他、現在論文雑誌に投稿中である。また平行して進めている、低温下や高圧下ではトポロジカル超伝導を示すことが知られる電荷密度波系1T-TiSe2単結晶では、室温に加えて、4.7 Kという極低温でのフェムト秒時間分解分光システムの光学系の設計および立ち上げを実施し、極低温における長寿命のコヒーレントフォノンのダイナミクスを高感度観測することに成功した。一方、室温においては、マイケルソン干渉計を導入することによりダブルパルス励起を行い、1T-TiSe2単結晶の非平衡状態における電荷密度波揺らぎが光励起で抑制されることを見いだした。この成果については、米国物理学協会刊行の論文雑誌で公表した。さらに、遷移金属ダイカルコゲナイドである2H-MoTe2における非平衡状態における電子―格子相互作用のダイナミクスを明らかにすることにも成功した。時間領域での周期的摂動に関するFloquet理論との関連性を議論し、米国物理学協会刊行の論文雑誌で公表した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでの実験で2190 nm(0.57 eV)の差周波光発生には成功したが、既存の光パラメトリック増幅器の出力光(波長1200~1600 nm)を用いたBi2Se3単結晶における予備的な実験の過程で、長波長での実験ではバルクバンドの寄与を排除できないと考えるに至っている。しかし、表面からの信号に特化される第2高調波発生(SHG)をプローブとした測定系に舵を切ることで様々な結晶に適用可能なシステムを構築することに挑戦している。また、非平衡状態においてトポロジカル物性が発現する可能性がある遷移金属ダイカルコゲナイド単結晶試料において、電子やフォノンの実時間観測の実験を進めている他、電荷密度波系の単結晶を極低温で測定するなど、多角的にスピン・フォノンダイナミクスに迫ろうとしている。

今後の研究の推進方策

差周波光(DFG)を用いたさらに長波長での実験ではバルクバンドの寄与を排除できないことが分かり、長波長のDFG光ではなく、800 nm光励起+OPA光による第2高調波(SHG)プローブ時間分解スピン計測装置の立ち上げを行う。これにより、トポロジカル絶縁体表面に局在するコヒーレントスピンやスピン電流測定も行うことができると期待している。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Coherent optical response driven by non-equilibrium electron?phonon dynamics in a layered transition-metal dichalcogenide2024

    • 著者名/発表者名
      Fukuda Takumi、Makino Kotaro、Saito Yuta、Fons Paul、Ando Atsushi、Mori Takuya、Ishikawa Ryo、Ueno Keiji、Afalla Jessica、Hase Muneaki
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 12 号: 2 ページ: 021102-021102

    • DOI

      10.1063/5.0188537

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast melting of charge-density wave fluctuations at room temperature in 1T-TiSe2 monitored under non-equilibrium conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Mizukoshi Yu、Fukuda Takumi、Komori Yuta、Ishikawa Ryo、Ueno Keiji、Hase Muneaki
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 122 号: 24 ページ: 243101-243101

    • DOI

      10.1063/5.0153161

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Fabrication of layered tellurides by crystallization of sputter-grown amorphous thin films2024

    • 著者名/発表者名
      齊藤雄太
    • 学会等名
      The 66th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] アモルファス結晶化を利用した二次元層状物質の新展開2024

    • 著者名/発表者名
      齊藤雄太
    • 学会等名
      日本結晶成長学会 新技術・新材料分科会 第3回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast dynamics of Charge-density wave in 1T-TiSe22024

    • 著者名/発表者名
      水越 優, 福田 拓未, 長谷 宗明
    • 学会等名
      NanospecFY2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Emerging Sb- and Ge- based layered tellurides for electronic device application2023

    • 著者名/発表者名
      齊藤雄太
    • 学会等名
      PRICM11 (The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] トポロジカル絶縁体Bi2Se3バルク状態における逆ファラデー効果の光子エネルギー依存性2023

    • 著者名/発表者名
      菊池和弘, 水越 優, 福田 拓未, 長谷 宗明
    • 学会等名
      2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 二次元層状物質WSe2からのテラヘルツ波発生におけるメカニズムの研究2023

    • 著者名/発表者名
      山田 知穂, 高見沢仙美, 福田拓未, Joselito Muldera, 上野啓司, 谷正彦, Jessica Afalla, 長谷宗明
    • 学会等名
      2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 強相関電子系1T-TiSe2におけるコヒーレントフォノンダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      水越優, 福田拓未, 小森雄太, 石川良, 上野啓司, 長谷宗明
    • 学会等名
      2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Coherent phonon dynamics in a strongly correlated system of 1T-TiSe22022

    • 著者名/発表者名
      Yu Mizukoshi, Takumi Fukuda, Yuta Komori, Ryo Ishikawa, Keiji Ueno, and Muneaki Hase
    • 学会等名
      THE 22ND INTERNATIONAL VACUUM CONGRESS (IVC-22)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Layered Chalcogenide Materials for Phase-Change Memory and Novel Applications2022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Saito
    • 学会等名
      2022 Materials Research Society (MRS) Fall Meeting & Exhibit
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] カルコゲナイド材料の高機能化と次世代電子デバイスへの応用2022

    • 著者名/発表者名
      齊藤雄太
    • 学会等名
      2022年秋期(第171回)日本金属学会講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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