5フェムト秒極超短赤外パルス光による強相関電子系の動的局在と秩序形成の研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02100
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 岩井 伸一郎 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60356524)
• 研究分担者: 石原 純夫 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (30292262) ; 米満 賢治 中央大学, 理工学部, 教授 (60270823)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 強相関電子系 / 光誘起相転移 / 超高速現象 / 有機伝導体 / 遷移金属酸化物

研究実績の概要

1; これまでに開発を行ってきた単一サイクル6 fs光源の、シミュレーションによる波形解析を行い、パルス波形の決定要因を調べた。その結果から、パルス波形整形、安定化を進め、簡便な分光利用を可能にした。
2; 上記光源（測定に用いたのは7 fs）を用いて、有機伝導体、遷移金属酸化物の新規試料の光強電場効果の探索を行った。a) 擬一次元有機伝導体 (TMTTF)_2AsF_6において、反射端の光電場誘起変化を、ローレンツモデルを用いて解析し、動的局在効果は、電子温度の上昇よりも遥かに速い約20fsの時間スケールで立ち上がること、電荷ギャップのエネルギーを反映する周期20 fsの振動を伴なうこと、を明らかにした。また理論解析によって、このωpの減少や時間軸振動には、電子相関の強さが本質的な効果を及ぼしていることを明らかにした（Phys. Rev. B　受理済、arXiv:1603.08374）。
b) 電荷グラス状態を示すθ-(ET)_2CsZn(SCN)_4においても、同様に実験、解析（ただし拡張ドルーデモデルを使用）を行い、移動積分の減少が約40 fsという短い時間で緩和することを明らかにした。この結果は、上記の(TMTTF)_2AsF_6においては、～ps程度も持続するのとは大きく異なる。
c) 遷移金属酸化物V_2O_3の実験も開始した。
3; 強い振動電場を印加した後の2次元拡張ハバード・モデルの電子相関とフロケ理論の高周波展開による相互作用変調の結果を比較し、後者がどれほど前者を再現するか検討した。
4; 一次元電荷秩序系における光誘起電荷秩序融解について理論的に解析を行った。格子の振動周波数の大小により、ソリトンの運動による機構とフォノンの生成によるソリトンのバンド内緩和の二つの融解機構が存在することを明らかにした。

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

1; キャリアエンベロープ位相を固定した6 fs(1.3サイクル)パルスを、固体の分光測定へ適用した例は世界にもほとんど例がない。本研究では、パルスの伝播や、自己位相変調効果によるスペクトルの広帯域化、圧縮などのシミュレーションに基づいた分析により波形や安定度の支配要因を探り、分光応用が可能な高安定光源を実現した。今後この光源を駆使することによって、固体中の電子のコヒーレント現象の探索が展開できる。
2; 本研究では、上記光源を駆使することによって、最近この分野で注目されている光強電場効果（Nature commun. 5, 5528(2014)）の研究をさらに推進し、移動積分の減少を、より直接観測できる方法（プラズマ反射端の変化）を見出した（Phys. Rev. B　受理済、arXiv:1603.08374）。
3; さらに新規物質（電荷グラス物質、遷移金属酸化物）への展開を図っており、それぞれの物質に特徴的な現象を見出している。
4; フロケ理論の高周波展開による相互作用変調は、遍歴電子モデルの過渡電子相関に対する励起光の偏光依存性をかなり再現する見込みを得た。
5; 一次元量子多体系の時間発展状態を有限サイズ効果の影響なく解析することのできるiTEBD法とよばれる数値計算手法によるコードを開発した。これにより、一次元電荷秩序系の秩序融解過程を高い数値計算精度で解析することが初めて可能になった。

今後の研究の推進方策

1; 典型的なモット絶縁体である、V_2O_3において、移動積分の減少による金属絶縁体転移の「光電場によるバンド幅制御」の可能性を探る。
2; キャリアエンベロープ位相を変化させ、位相敏感な多電子光応答を探索する。
3; テラヘルツ強電場と組み合わせ、低周波―高周波の複合強電場による新奇応答を探索する。
4; 強い振動電場を印加した後の遍歴電子モデルの電子相関に対するパルス波形の効果を理論的に計算する。
5; 一次元量子多体系におけるパルス励起と連続光励起との類似と相違、ならびに強相関電子模型の動的局在現象における電子相関効果について、数値的に詳細に解析する。

研究成果

• [雑誌論文] Ultrafast response of plasma-like reflectivity edge in (TMTTF)_2AsF_6 driven by 7-fs, 1.5-cycle strong-light field (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Naitoh, Y. Kawakami, T. Ishikawa, Y. Sagae, H. Itoh, K. Yamamoto, T. Sasaki, M. Dressel, S. Ishihara, Y. Tanaka, K. Yonemitsu, and S. Iwai
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: - ページ: 掲載確定
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetoelectric effect in organic molecular solids (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Naka and S. Ishihara
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 20781-1-7
  • DOI: 10.1038/srep20781
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ultrafast electronic state conversion at room temperature utilizing hidden state in cuprate ladder system (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Fukaya, Y. Okimoto, M. Kunitomo, K. Onda, T. Ishikawa, S. Koshihara, H. Hashimoto, S. Ishihara, A. Isayama, H. Yui and T. Sasagawa
  • 雑誌名: Nat. Comm. 巻: 6 ページ: 8519-1-7
  • DOI: 10.1038/ncomms9519
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photo-Induced Phase Transition in Charge Order Systems --Charge Frustration and Interplay with Lattice- (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Hashimoto, H. Matsueda, H. Seo, and S. Ishihara
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 113702-1-5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.113702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absence of Jahn-Teller transition in the hexagonal Ba_3CuSb_2O_9 single crystal (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Katayama, K. Kimura, Y. Hanc, J. Nasue, N. Drichko, Y. Nakanishi, M. Halim, Y. Ishiguro, R. Satake, E. Nishibori, M. Yoshizawa, T. Nakano, Y. Nozue, Y. Wakabayashi, S. Ishihara, M. Hagiwara, H. Sawa, and S. Nakatsuji
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. (USA） 巻: 112 ページ: 9305-9309
  • DOI: 10.1073/pnas.1508941112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of charge degrees of freedom under high pressure in the organic dimer-Mott insulator β'-(BEDT-TTF)_2ICl_2 (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Hashimoto, R. Kobayashi, H. Okamura, H. Taniguchi, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, S. Iguchi, M. Naka, S. Ishihara, and T. Sasak
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 085149-1-7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.92.085149
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge Dynamics in a Correlated Fermion System on a Geometrically Frustrated Lattice (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Naka and S. Ishihara
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 023703-1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.023703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Negative-Temperature State Formed and Interactions Inverted by Symmetric Monocycle Optical Pulse Excitation (2015)
  • 著者名/発表者名: Kenji Yonemitsu and Keita Nishioka
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 054702-1-10
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.054702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase Separation Induced by Symmetric Monocycle Optical Pulse in Extended Hubbard Models (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Yanagiya, Yasuhiro Tanaka, and Kenji Yonemitsu
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 094705-1-9
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.094705
  • 査読あり
• [学会発表] κ型ET塩の金属 モット絶縁体相境界における超高速臨界現象 (2016)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平、内藤陽太、加藤隆寛、伊藤弘毅、米山直樹、佐々木孝彦、石原純夫、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城・仙台）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] 電荷グラス物質θ-(ET)_2CsZn(SCN)_4における瞬時強電場効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 内藤陽太、加藤隆寛、伊藤弘毅、川上洋平、山本薫、橋本顕一郎、佐々木孝彦、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城・仙台）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] 金属 絶縁体転移を示す有機伝導体α''-(ET)_2RbCo(SCN)_4のテラヘルツ時間領域分光II (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤弘毅、村松幸則、市村純一、大畠洋和、米山直樹、黒子めぐみ、小林亮太、 橋本顕一郎、井口敏、佐々木孝彦、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城・仙台）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] 分子間振動で見る(TMTTF)_2Xの光誘起相転移 II (2016)
  • 著者名/発表者名: 大畠洋和、市村純一、伊藤弘毅、山本薫、Martin Dressel、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城・仙台）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] V_2O_3の金属相における赤外6 fs分光 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆寛、内藤陽太、伊藤弘毅、川上洋平、伊藤桂介、佐々木孝彦、岩井伸一郎、Laurent Cario、Etienne Janod、Maciej Lorenc、Herve Cailleau、Eric Collet
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城・仙台）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] 「単一サイクル赤外光による強相関有機金属の瞬時強電場効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩井伸一郎
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会 シンポジウム「テラヘルツ・赤外領域強電磁場による極限非線形現象の光科学と応用展望」
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京・目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] Strong light-field effects in correlated oraganic conductors (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Iwai , Y. Kawakami , Y. Naitoh , H. Itoh , S. Ishihara , K. Yonemitsu
  • 学会等名: APS March Meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore, Maryland (USA)
  • 年月日: 2016-03-14 – 2016-03-14
  • 国際学会
• [学会発表] Photoinduced phase transition driven by single-cycle 7 fs infrared light (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Iwai
  • 学会等名: 9ht Asian Conference on Ultrafast Phenomena (ACUP)
  • 発表場所: Quezon City (Philippines)
  • 年月日: 2016-02-22 – 2016-02-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 強相関金属の超高速瞬時強電場効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩井伸一郎
  • 学会等名: 第８回東北大学研究会「金属錯体の固体物性最前線 － 金属錯体と固体物性物理と生物物性の連携新領域を目指して －」
  • 発表場所: 東北大学理学部化学第４講義室（宮城・仙台）
  • 年月日: 2016-02-19 – 2016-02-19
  • 招待講演
• [学会発表] Strong field effect induced by nearly single-cycle 7fs, 10 MV/cm infrared light in correlated organic conductors (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Iwai
  • 学会等名: FRONTIER2015
  • 発表場所: TOHOKU University （宮城・仙台）
  • 年月日: 2015-11-30 – 2015-11-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strong light field effects in correlated metals (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Iwai
  • 学会等名: France-Japan workshop on Impacting materials with light and electric fields and watching real time dynamics (IM-LED 2015)
  • 発表場所: The Universiti of Tokyo （東京・文京区)
  • 年月日: 2015-11-26 – 2015-11-26
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical proposal of light control of correlated electron systems (2015)
  • 著者名/発表者名: S.Ishihara
  • 学会等名: French Japan Workshop Impacting materials with light and electric fields and watching real time dynamics
  • 発表場所: The Universiti of Tokyo （東京・文京区)
  • 年月日: 2015-11-26 – 2015-11-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strong field effect induced by nearly single-cycle 7fs, 10 MV/cm infrared light in correlated organic conductors (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Iwai
  • 学会等名: EMN Meeting on Ultrafast Research
  • 発表場所: Las Vegas, NV (USA)
  • 年月日: 2015-11-17 – 2015-11-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast Photoinduced Charge and Spin Dynamics in Correlated Electron Materials (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Ishihara, H. Hashimoto, H. Matsueda, H. Seo
  • 学会等名: EMN Meeting on Ultrafast Research
  • 発表場所: Las Vegas, NV (USA)
  • 年月日: 2015-11-17 – 2015-11-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photoinduced Hidden States in Correlated Systems (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Ishihara, J. Ohara, E. Iyoda, H. Hashimoto, H. Matsueda, H. Seo
  • 学会等名: Hidden Order in a Complex World: Past, Present and Future
  • 発表場所: Oak Ridge, Tennessee (USA)
  • 年月日: 2015-10-02 – 2015-10-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Driving charge and vibrational motions in strongly correlated organic conductors by nearly single-cycle 7fs, 10 MV/cm infrared strong field (2015)
  • 著者名/発表者名: T. ISHIKAWA, Y. NAITO, Y. KAWAKAMI, H. ITOH, K. YAMAMOTO, H. KISHIDA, T. SASAKI, M. DRESSEL, Y. TANAKA, K. YONEMITSU, S. IWAI
  • 学会等名: 11th Australasian Conference on Vibrational Spectroscopy (ACOVS11)
  • 発表場所: Sydney (Australia)
  • 年月日: 2015-09-30 – 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] 金属-絶縁体転移を示す有機伝導体α''-(ET)_2RbCo(SCN)_4のテラヘルツ時間領域分光 (2015)
  • 著者名/発表者名: 伊藤弘毅、市村純一、大畠洋和、米山直樹、黒子めぐみ、小林亮太、橋本顕一郎、井口敏、佐々木孝彦、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-19 – 2015-09-19
• [学会発表] 1.3サイクル6fsパルスによるダイマーモット絶縁体の瞬時強電場効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川上洋平、内藤陽太、石川貴悠、加藤隆寛、伊藤弘毅、米山直樹、佐々木孝彦、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-19 – 2015-09-19
• [学会発表] 電荷秩序型有機伝導体における光誘起電荷局在の励起偏光依存性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石川貴悠、内藤陽太、加藤隆寛、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、田中康寛、米満賢治、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-19 – 2015-09-19
• [学会発表] (TMTTF)_2AsF_6における瞬時強電場効果の超高速ダイナミクス (2015)
  • 著者名/発表者名: 内藤陽太、川上洋平、石川貴悠、加藤隆寛、伊藤弘毅、山本薫、佐々木孝彦、田中康寛、米満賢治、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-19 – 2015-09-19
• [学会発表] 分子間振動で見る(TMTTF)2Xの光誘起相転移 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大畠洋和、市村純一、伊藤弘毅、山本薫、岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-19 – 2015-09-19
• [学会発表] 単一サイクル瞬時強電場による超高速コヒーレント電子駆動 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17
  • 招待講演
• [学会発表] 負温度状態、相互作用反転と動的局在について (2015)
  • 著者名/発表者名: 米満賢治
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17
  • 招待講演
• [学会発表] Strong field effects on organic condutors induced by nearly single-cycle light pulse (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Iwai
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors and Magnets (ISCOM2015)
  • 発表場所: Bad Gogging （Germany）
  • 年月日: 2015-09-11 – 2015-09-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of terahertz excitations accompanied by charge fluctuations near the metal-insulator transition in α-(ET)_2I_3 (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Itoh, J. Ichimura, K. Yamamoto, K. Yakushi, Y. Nakamura, H. Kishida, S. Iwai
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors and Magnets (ISCOM2015)
  • 発表場所: Bad Gogging （Germany）
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] Charge-vibration dynamics driven by 6 fs, 1.3-cycle infrared pulses in dimer-Mott insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawakami, T. Ishikawa, Y. Naitoh, H. Itoh, N. Yoneyama, T. Sasaki, S. Iwai
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors and Magnets (ISCOM2015)
  • 発表場所: Bad Gogging （Germany）
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast optical response of the metallic phase of α-(ET)_2I_3 induced by 7 fs infrared pulse (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa, Y. Naitoh, Y. Kawakami, H. Itoh, K. Yamamoto, K. Yakushi, H. Kishida, T. Sasaki, S. Ishihara, Y. Tanaka
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors and Magnets (ISCOM2015)
  • 発表場所: Bad Gogging （Germany）
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] Negative-Temperature State and Phase Separation Induced by Symmetric Monocycle Optical Pulse in Extended Hubbard Models (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Yonemitsu, Y. Tanaka, H. Yanagiya
  • 学会等名: The 11th International Symposium on Crystalline Organic Metals Superconductors and Magnets (ISCOM2015)
  • 発表場所: Bad Gogging （Germany）
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] Photoinduced carrier dynsmics in charge-ordered insulator and Mott insulator (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Ishihara, E. Iyoda, H. Hashimoto, H. Matsueda, H. Seo
  • 学会等名: SUPERSTRIPES 2015
  • 発表場所: Ischia (Italy)
  • 年月日: 2015-06-16 – 2015-06-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strong field effects on organic conductors induced by 1.5-cycle infrared light pulse (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Iwai
  • 学会等名: Femtosecond Electron Imaging and Spectroscopy (FEIS 2)
  • 発表場所: East Lansing MI （USA）
  • 年月日: 2015-05-07 – 2015-05-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 中央大学理工学部米満研究室
  • URL: http://www.phys.chuo-u.ac.jp/labs/yonemitsu/
• [備考] 東北大学大学院理学研究科 物理学専攻 超高速分光研究室（岩井研究室）
  • URL: http://femto.phys.tohoku.ac.jp/
• [備考] 東北大学大学院理学研究科 物性理論研究室 石原グループ
  • URL: http://www.cmpt.phys.tohoku.ac.jp/~ishihara/index_ja.html