テラヘルツ近接場による超高速ナノ空間電子マニュピュレーション

• 研究領域: ハイブリッド量子科学
• 研究課題/領域番号: 18H04288
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 武田 淳 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60202165)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円); 2019年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2018年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: テラヘルツ / 近接場 / 電子操作 / 走査トンネル顕微鏡 / サブサイクル / コヒーレント制御

研究実績の概要

本研究では、超高真空中で動作するナノスケールかつサブサイクルの時間分解能を持つテラヘルツ走査型トンネル分光（THz-STM）技術を開発する。単一トンネル接合において、所望のTHz近接場を創り出しその場で観測する処方箋を構築し、トンネル電子を自在に量子操作する近接場分光技術を確立することを目指す。
初年度に開発した超高真空THz-STMは、光の回折限界を打破し、ナノ～原子スケールで電子を高速操作することを可能にした。一方、中赤外（MIR）パルスとSTMを融合させることができれば、時間分解能を大幅に改善することができ、かつ中赤外領域特有の分子内振動や格子振動・電荷移動などの諸現象を原子レベルでその場観察し操作することが可能となる。そこで、MIR-STMの開発に着手した。optical parametric chirp pulse amplifier（OPCPA）から出力されたパルス幅8.2 fs、繰り返し4 MHz、平均出力4.3 W、中心波長 850 nmの近赤外パルスとGaSe結晶におけるタイプI位相整合による光整流を用いることで、中心周波数27.5 THz、パルス幅31 fs、電場尖頭値190 kV/cmの中赤外パルス発生をCEP揺らぎ56 mrad（5.6時間）の安定性を達成することができ、MIR-STM開発の素地を作ることができた。
更に、電子操作だけではなく、電子よりもはるかに重いイオンをTHzパルスにより動かすことに挑戦した。二次電池材料として使われるなどイオンが動きやすいことで知られる超イオン伝導体を研究対象として、THzパルスによりイオンの流れを電流として計測することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] MIT/CalTech/Rice University(米国)
• [雑誌論文] Macroscopic Ionic Flow in a Superionic Conductor Na+ β-Alumina Driven by Single-Cycle Terahertz Pulse (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Minami, B. Ofori-Okai, P. Sivarajah, I. Katayama, J. Takeda, K. A. Nelson, and T. Suemoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 124 号: 14 ページ: 147401-147401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.147401
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Subcycle mid-infrared coherent transients at 4??MHz repetition rate applicable to light-wave-driven scanning tunneling microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshioka Katsumasa、Igarashi Ippo、Yoshida Shoji、Arashida Yusuke、Katayama Ikufumi、Takeda Jun、Shigekawa Hidemi
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 44 号: 21 ページ: 5350-5350
  • DOI: 10.1364/ol.44.005350
  • NAID: 120006773346
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz Faraday and Kerr Rotation Spectroscopy of Bi1-xSbx Films in High Magnetic Fields up to 30 Tesla (2019)
  • 著者名/発表者名: X. Li, K. Yoshioka, M. Xie, T. Hagiwara, G. T. Noe II, W. Lee, N. Marquez Peraca, W. Gao, T. Hagiwara, H. S. Orjan, L-W. Nien, T. Nagao, M. Kitajima, H. Nojiri, X. Li, C-K. Shih, A. H. MacDonald, I. Katayama, J. Takeda, G. A. Fiete, and J. Kono
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 100 号: 11 ページ: 115145-115145
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.115145
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tailoring Single-Cycle Near-Field in a Tunnel Junction with Carrier-Envelope Phase-Controlled Terahertz Electric Fields (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, H. Takahashi, and J. Takeda
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 18 号: 8 ページ: 5198-5204
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02161
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Terahertz-Field-Induced Carrier Generation in Bi1-xSbx Dirac Electron Systems (2018)
  • 著者名/発表者名: I. Katayama, H. Kawakami, T. Hagiwara, Y. Arashida, Y. Minami, L.-W. Nien, O. S. Handegard, T. Nagao, M. Kitajima, and J. Takeda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 21 ページ: 214302-214302
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.214302
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast Optical Control of Multiple Coherent Phonons in Silicon Carbide Using a Pulse Shaping Technique (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Arashida , K. Murakami, I. Katayama, and J. Takeda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Exp. 巻: 11 号: 12 ページ: 122701-122701
  • DOI: 10.7567/apex.11.122701
  • 査読あり
• [学会発表] テラヘルツ電場誘起トンネリングによる金属探針におけるプラズモン発光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森永悠太、木村謙介、堀川聖、吉岡克将、浅川寛太、嵐田雄介、片山郁文、今田 裕、金 有洙、武田 淳
  • 学会等名: 2020年第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 表面電子系の高強度THz現象解明へ向けた超高真空THz-STMの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小玉暢之、嵐田雄介、浅川寛太、金島圭佑、片山郁文、武田 淳
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Ultrafast Electron Manipulation Using THz Scanning Tunneling Microscopy With Tailor-Made Near Fields (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Takeda, K. Yoshioka, Y. Arashida, and I. Katayama
  • 学会等名: International Photonics and OptoElectronics Meetings (POEM 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast Electron Manipulation on the Nanoscale with Phase-Controlled Near Fields (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Takeda, K. Yoshioka, K. Asakawa, Y. Arashida, and I. Katayama
  • 学会等名: International Symposium on Hybride Quantum System 2019 (HQS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Low-Temperature THz-Driven Scanning Tunneling Microscope (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Asakawa, K. Kimura, Y. Morinaga, K. Yoshioka, M. Horikawa, Y. Arashida, H. Imada, I. Katayama, Y. Kim, and J. Takeda
  • 学会等名: International Symposium on Hybride Quantum System 2019 (HQS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Nanoscale Amorphization of Ge2Sb2Te5 by Laser-Driven STM (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Kim, K. Asakawa, S. Yaguchi, K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, S. Yoshida, H. Shigekawa, M. Kuwahara, and J. Takeda
  • 学会等名: International Symposium on Hybride Quantum System 2019 (HQS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] テラヘルツ電場誘起電子トンネリングとナノ分光法への応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 片山郁文、吉岡克将、武田 淳
  • 学会等名: 第29回日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] パルステラヘルツ近接場によるナノスケール・超高速トンネル電子制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 片山郁文、吉岡克将、武田 淳
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 光波駆動 STM のための高繰り返しサブサイクル中赤外パルス発生 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉岡克将、五十嵐一歩、吉田昭二、嵐田雄介、片山郁文、武田 淳、重川秀実
  • 学会等名: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 走査トンネル顕微鏡によるGe2Sb2Te5の光誘起ナノスケール相変化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浅川寛太、キム・ダンイル、 谷口将太朗、吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、吉田昭二、重川秀実、桑原正史, 武田 淳
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 位相制御THz-STMによるトンネル電子のナノ空間超高速サブサイクル制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴 篤彦、河田陽一、小西邦昭、髙橋宏典、武田 淳
  • 学会等名: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] カルコゲナイド合金Ge2Sb2Te5におけるナノスケール光誘起相変化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷口将太朗、片山郁文、嵐田雄介、吉岡克将、吉田昭二、重川秀実、桑原正史、武田 淳
  • 学会等名: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体Bi1-xSbxにおけるテラヘルツ磁気光学応答 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉岡克将、X. Li、萩原俊雄、田岡裕貴、嵐田雄介、O. S. Handegard、片山郁文、長尾忠昭、河野淳一郎、武田 淳
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体Bi1-xSbx薄膜のパルス強磁場下テラヘルツ応答 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉岡克将、G. T. Noe、X. Li、野尻浩之、萩原俊雄、田岡裕貴、嵐田雄介、O. S. Handegard、長尾忠昭、河野淳一郎、武田 淳、片山郁文
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Nanoscale Electron Manipulation Using Phase-controlled THz Near-fields (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Takeda, K. Yoshioka, Y. Arashida, and I. Katayama
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sub-Cycle Manipulation of Electrons in a Tunnel Junction with Phase-controlled Single-Cycle THz Near-Fields (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, H. Takahashi, and J. Takeda
  • 学会等名: International Conference on Ultrafast Phenomena 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Nonlinear Terahertz Dynamics of Dirac Electrons in Bi Thin Films (2018)
  • 著者名/発表者名: I. Katayama, Y. Minami, Y. Arashida, O. S. Handegard, T. Nagao, M. Kitajima, and J. Takeda
  • 学会等名: SPIE Optics + Photonics 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] THz-Field-Driven Electron Tunneling On The Nanoscale (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Takeda, K. Yoshioka, Y. Minami, Y. Arashida, and I. Katayama
  • 学会等名: 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In-situ Tailoring of Single-cycle Near Field in a Tunnel Junction Using Phase-controlled THz-STM (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshioka, I. Katayama, Y. Arashida, A. Ban, Y. Kawada, K. Konishi, H. Takahashi, and J. Takeda
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • 国際学会
• [学会発表] 位相制御THz-STMを用いたTHz近接場とトンネル電子のサブサイクル制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉岡克将、片山郁文、嵐田雄介、伴 篤彦、河田陽一、小西邦昭、高橋宏典、武田 淳
  • 学会等名: 2018年第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 極短時間・ナノ空間で電子を操る！ ～テラヘルツ近接場によるナノスケール電子マニピュレーション～ (2018)
  • 著者名/発表者名: 武田 淳
  • 学会等名: 物理科学の最前線（東北大学）
  • 招待講演
• [学会発表] THz近接場によるサブサイクル電子マニピュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 武田 淳
  • 学会等名: 第22回名古屋大学VBLシンポジウム
  • 招待講演
• [備考] 武田・片山・金島研究室
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp
• [備考] 武田・片山・浅川研究室
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/
• [備考] 量子操作による光ナノ計測情報通信の革新的イノベーション研究拠点
  • URL: http://www.laser-nanoscience.ynu.ac.jp/ja/
• [産業財産権] TUNNEL CURRENT CONTROL APPARATUS AND TUNNEL CURRENT CONTROL METHOD (2019)
  • 発明者名: Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • 権利者名: Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019
  • 外国
• [産業財産権] TUNNEL CURRENT CONTROL APPARATUS AND TUNNEL CURRENT CONTROL METHOD (2019)
  • 発明者名: Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • 権利者名: Y. Kawada, J. Takeda et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019
  • 外国