アト秒スペクトロスコピー技術によるペタヘルツエンジニアリングの創出

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02120
• 研究機関: 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所
• 研究代表者: 小栗 克弥 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主幹研究員 (10374068)
• 研究分担者: 石澤 淳 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (30393797) ; 加藤 景子 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (40455267) ; 日比野 浩樹 関西学院大学, 理工学部, 教授 (60393740) ; 増子 拓紀 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 特別研究員 (60649664) ; 関根 佳明 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 主任研究員 (70393783)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: アト秒科学 / 量子エレクトロニクス / 時間分解ARPES / 人工二次元結晶 / 固体高次高調波発生

研究実績の概要

最終年度にあたる令和元年度は、順調に開発が進んだサブ5 fs高次高調波プローブ時間分解角度分解光電子分光(TR-ARPES)装置による物性研究に計画の重点化をシフトさせた。昨年度、TR-ARPES計測に成功したグラファイトの光励起初期過程に関しては、ボルツマン散乱方程式による電子-電子散乱過程のシミュレーションと実験を比較した。１次元のディラック分散を仮定し、シミュレーションを実施したところ、実験で観察された光励起直後のピーク形状過渡的ポピュレーションがフェムト秒スケールで再分布様子が再現できた。
TR-ARPES実験では、さらに計測対象をバレートロニクス材料に拡張し、遷移金属カルコゲナイドのWSe2及びMoS2を測定した。特にWSe2は、バンド端のK点におけるバンドギャップが1.6 eV程度であり、現状のポンプ光の光子エネルギーと同等であるため準共鳴条件で励起可能である。ポンププローブ実験の結果、K点において励起状態の過渡的ポピュレーションの計測に成功すると共に、K点からΣ点へバレー間散乱が50 fs以内に超高速緩和している様子を捉えた。バレートロニクスは、擬スピン状態を制御することが本質であり、本成果はTR-ARPESにより擬スピンの5 fsレベルの時間分解能で過渡的状態を計測できることを意味する。
PHzスケールの電子応答を計測する手法の課題は、現状、感度が不十分であり、計測に時間がかかりすぎる点にある。そこで、我々は、時間応答のみにフォーカスし、分光(エネルギー)情報を積算するアト秒時間分解反射率計測技術の開発を進めた。反射率のみを1次元検出器で計測し、ロックイン検波することによりアト秒計測技術の高感度化を図った。その結果、Bi薄膜のコヒーレントフォノン信号をわずか15分の計測時間で明瞭に計測できることを実証し、アト秒分光技術の高感度化という新しい方向性を切り拓いた。

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] National Tsing Hua University (Taiwan)(その他の国・地域 台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Tsing Hua University (Taiwan)
• [雑誌論文] Surface-enhanced Raman scattering from buffer layer under graphene on SiC in a wide energy range from visible to near-infrared (2020)
  • 著者名/発表者名: Sekine Yoshiaki、Hibino Hiroki、Oguri Katsuya、Iwamoto Atsushi、Nagase Masao、Kageshima Hiroyuki、Akazaki Tatsushi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: 040902～040902
  • DOI: https://doi.org/10.35848/1347-4065/ab7a48
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly sensitive transient reflection measurement in extreme ultraviolet region for tracking carrier and coherent phonon dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Kato, H. Mashiko, Y. Kunihashi, H. Omi, H. Gotoh, and K. Oguri
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 28 ページ: 1595
  • DOI: https://doi.org/10.1364/OE.381585
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatially resolved spectral phase interferometry with isolated attosecond pulse (2020)
  • 著者名/発表者名: H. MASHIKO, M.-C. CHEN, K. ASAGA, A. OSHIMA,I. KATAYAMA, J. TAKEDA, T. NISHIKAWA,and K. OGURI
  • 雑誌名: Optics Express 巻: accepted, ページ: accepted.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 半導体の光電場駆動ペタヘルツ電子応答 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小栗克弥, 増子拓紀, 後藤秀樹
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 54 ページ: 173
• [学会発表] Time-resolved ARPES of sub-10-fs intraband electric redistribution in graphite (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Oguri, K. Kato, and H. Mashiko
  • 学会等名: Conference on Laser and Synchrotron Radiation Combination Experiment 2020 (LSC2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Extreme ultraviolet interferometry with isolated attosecond pulse (2020)
  • 著者名/発表者名: A. OSHIMA, H. MASHIKO, M.-C. CHEN, K. ASAGA, I. KATAYAMA, J. TAKEDA, T. NISHIKAWA,and K. OGURI
  • 学会等名: The 9th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Attosecond electron dynamics in solids -toward Petaherz-scale solid state technology (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Oguri, H. Mashiko, K. Kato, and H. Gotoh
  • 学会等名: International Conference on Ultrafast Optical Science (ULTRAFASTLIGHT 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved ARPES observation of nonthermal relaxation process in graphite at extreme time scales (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Oguri, K. Toume, H. Mashiko, K. Kato, Y. Sekine, H. Hibino, A. Suda, and H. Gotoh
  • 学会等名: The 10th Shanghai-Tokyo Advanced Research Symposium on Ultrafast Intense Laser Science (STAR10)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Attosecond correlation with actively stabilized extreme ultraviolet interferometer (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Mashiko, Y. Chisuga, K. Asaga, I. Katayama, J. Takeda, T. Nishikawa, K. Oguri, and H. Gotoh
  • 学会等名: International Conference on Attosecond Science and Technologh (ATTO2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast redistribution snapshots of nonequilibrium photoexcited carrier in graphite probed by sub-5-fs high-harmonic-based time-resolved ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Toume, K. Oguri, H. Mashiko, K. Kato, Y. Sekine, H. Hibino, A. Suda, and H. Gotoh
  • 学会等名: International Conference on Attosecond Science and Technologh (ATTO2019)
  • 国際学会
• [学会発表] マルチプレート圧縮法におけるスペクトル位相特性の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山口大也、増子拓紀、加藤景子、片山郁文、武田淳、小栗克弥、後藤秀樹
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 極端紫外領域における高感度過渡反射計測法の確立 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤景子、増子拓紀、国橋要司、尾身博雄、後藤秀樹、小栗克弥
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Actively stabilized XUV interferometer with attosecond time resolution (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Asaga, H. Mashiko, Y. Chisuga, A. Oshima, T. Nishikawa, I. Katayama, J. Takeda, H. Gotoh, and K. Oguri
  • 学会等名: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics (ISNTT2019)
  • 国際学会
• [産業財産権] 分光計測装置 (2019)
  • 発明者名: 加藤景子、増子拓紀、小栗克弥、後藤秀樹
  • 権利者名: 加藤景子、増子拓紀、小栗克弥、後藤秀樹
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2019/033652
  • 外国