テラヘルツ波による伝導状態の超高速制御とデバイス応用

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H03886
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中嶋 誠 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 准教授 (40361662)
• 研究分担者: 松井 龍之介 三重大学, 工学研究科, 准教授 (80452225)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: テラヘルツ波 / 超高速 / 伝導制御 / 相転移

研究実績の概要

フェムト秒パルスレーザー励起テラヘルツ波パルスによって、伝導状態の超高速制御を実現することが本研究の目的である。
金属微粒子系におけるテラヘルツ波パルスによる伝導状態の制御としては、プリンティング材料に使われる金属Agナノインクを、シリコン基板上に作成した金属アンテナ（テラヘルツ波の電場強度の増大を見込む）のギャップ中に塗布し、そこにテラヘルツ波パルスを照射し、その電気伝導特性の変化を観測した。テラヘルツ波パルス照射によって、ナノサイズの金属が接合し電気伝導度が上昇していく様子が観測できた。またテラヘルツの照射によってステップ的（量子コンダクタンスに対応）に電気伝導度が変化する結果が得られており、これはテラヘルツ波パルス照射によって段階的に接合経路が生成されていることを示唆している。
カルコゲン系GeTe-Sb2Te3超格子は、相変化メモリとして期待されている物質である。また超格子界面には、トポロジカル相が存在しディラックコーン型のバンド状態が存在していることが報告されている。このようなディラックコーン的なバンド構造をもつ層では、低エネルギーのテラヘルツ波を吸収することが期待される。この試料にテラヘルツ波パルスを照射することで、電気伝導度が瞬時に増加し緩和していく様子をオシロスコープを用いて観測することができた。この観測は、室温でのテラヘルツ波パルスの検出を行ったとも見ることができ、今後の検出器等への応用展開が期待される。
今後、電気的測定のみだけでなく、テラヘルツ波ポンププローブ分光等の光学的な超高速分光によりピコ秒スケールの超高速応答を観測していく。

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

金属微粒子の系(金属ナノインクを含む)や、カルコゲン系の試料においてテラヘルツパルス照射による電気伝導度の変化を観測できている。導入したオシロスコープによりその時間応答特性を調べているが、より超高速な応答については、光学的手法(テラヘルツ波ポンププローブ分光)等により明らかにしていきたい。

今後の研究の推進方策

本年度は初年度に行った研究成果をさらに発展させ、テラヘルツ波パルスによる超高速電動制御の実現やその機構解明の研究を継続し実施する。
金属微粒子集合体をはじめとして相転移材料や有機系試料などのテラヘルツ波電磁波応答現象、特にその超高速応答を、昨年導入した高速オシロスコープやテラヘルツ波ポンププローブ分光等で明らかにする。
試料や光源を多様化することで研究対象の拡大を試みる。相転移物質や履歴伝導現象を有する物質など、新たな物質においてもテラヘルツ励起効果の測定を実施していきたい。また、テラヘルツ波の光源として、フェムト秒パルスレーザー励起のテラヘルツ波パルスのみでなく、大阪大学産業科学研究所にあるテラヘルツ自由電子レーザーや、福井大学遠赤外領域開発研究センターにあるジャイロトロンを利用することで、本研究対象領域の拡大を試みる。

研究成果

• [雑誌論文] 金属インク上に自発的に形成される複雑なナノ構造からのテラヘルツ波放射 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤 康作, 高野 恵介, 田所 譲, ファン タン ニャ コア, 中嶋 誠
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 45 ページ: 153-157
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quasi-dielectric characteristics of stacked metallic metamaterials (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasunori Tokuda, Keisuke Takano, Yuki Yamaguchi, Koichiro Sakaguchi, and Makoto Nakajima
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 030306
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.030306
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coherent radiation at the fundamental frequency by a Smith-Purcell free-electron laser with dielectric substrate (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Li, Y. Wang, M. Nakajima, M. Tani, M. Hashida, M. R. Asakawa, Y. Wei, and S. Miyamoto
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 110 ページ: 151108
  • DOI: 10.1063/1.4980046
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical transmittance investigation of 1-keV ion-irradiated sapphire crystals aspotential VUV to NIR window materials of fusion reactors (2016)
  • 著者名/発表者名: K.Iwano, et al.,
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 6 ページ: 105108
  • DOI: 10.1063/1.4965927
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz wave generation from spontaneously formed nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kato, K. Takano, Y. Tadokoro, and M. Nakajima
  • 雑誌名: Opt. Lett 巻: 41 ページ: 2125
  • DOI: 10.1364/OL.41.002125
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Harmonics radiation of graphene surface plasmon polaritons in terahertz regime (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Li, Y. Wang, M. Nakajima, M. Hashida, Y. Wei, S. Miyamoto
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 380 ページ: 2181-2184
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2016.04.020
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] THz Pulse Detection by Multilayered GeTe/Sb2Te3 (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Makino, S,.Kuromiya, K. Takano, K. Kato, M. Nakajima, Y. Saito, J. Tominaga, H. Iida, M. Kinoshita, T. Nakano
  • 雑誌名: ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES 巻: 8, 47 ページ: 32408-32413
  • DOI: 10.1021/acsami.6b11418
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ZnO crystal as a potential damage-recoverable window material for fusion reactors (2016)
  • 著者名/発表者名: K.Yamanoi, et al.,
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 62 ページ: 646-650
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2016.10.058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of Terahertz field enhancement effect in metal microstructures (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakajima, T. Kurihara, Y. Tadokoro, B. Kang, K. Takano, K. Yamaguchi, H. Watanabe, K. Oto, T. Suemoto, and M. Hangyo
  • 雑誌名: Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: 37 ページ: 1199-1212
  • DOI: 10.1007/s10762-016-0323-4
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] レーザーカオスと超集束効果を用いたTHz-TDS装置における金属V溝幅の影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 桑島史欣, 白尾拓也, 赤峰勇佑, 岩尾憲幸, 大井真夏, 坂上直哉, 白崎拓郎, 合田汐里, 谷正彦, 栗原一嘉, 山本晃司, 森川治, 北原英明, 長島健, 中嶋誠
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] テーパー付き平行平板導波路を用いたフィルムのTHz計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 射庭彩人, 池田誠人, 髙野恵介, 中嶋誠
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] グラフェン表面プラズモンポラリトンによる電磁波放射 (2017)
  • 著者名/発表者名: 李大治, 中嶋誠, 橋田昌樹
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] 積層型メタルスリットアレイと誘電体多層膜との透過特性の比較 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂口浩一郎, 山口祐生, 高野恵介, 中嶋誠, 徳田安紀
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Terahertz Generation from Split Ring Resonator Array Fabricated from Silver Nano-Particles (2017)
  • 著者名/発表者名: Khoa Phan ThanhNhat, K. Kato, K. Takano, M. Yoshimura, H. Azechi, M. Nakajima
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜, 神奈川
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] テラへルツ波パルスによる磁性体の超高速スピン分光と制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠, 栗原貴之, 末元徹
  • 学会等名: レーザー学会 第37回年次大会
  • 発表場所: 徳島大学
  • 年月日: 2017-01-09
  • 招待講演
• [学会発表] 高強度THz近接磁場を用いた巨視的磁気秩序の制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邊浩, 栗原貴之, 中嶋誠, 末元徹
  • 学会等名: 第30回日本放射光学会年会
  • 発表場所: 神戸
  • 年月日: 2017-01-08
• [学会発表] Ultrafast control of macroscopic magnetization using by terahertz magnetic pulses (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakajima, T. Kurihara, H. Watanabe T. Suemoto
  • 学会等名: EMN Terahertz meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] テラへルツ波パルスによる超高速スピン分光と制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠
  • 学会等名: テラヘルツ科学の最前線III
  • 発表場所: 福井
  • 年月日: 2016-11-25
  • 招待講演
• [学会発表] THz Detection By Multi‐layered Topological Insulator (2016)
  • 著者名/発表者名: Kotaro Makino, Shota Kuromiya, Keisuke Takano, Kosaku Kato, Makoto Nakajima, Hitoshi Ida, Moto Kinoshita, Yuta Saito,Junji Tominaga, Takashi Nakano
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
  • 年月日: 2016-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced Terahertz Magnetic Near‐field By Tapered Waveguide In Double Split‐ring Resonator Coupled Tb3Ga5O12 Crystal (2016)
  • 著者名/発表者名: Hongsong Qiu, Hirofumi Harada, Kousaku Kato, Keisuke Takano, Takayuki Kurihara, Tohru Suemoto, Masahiko Tani,Nobuhiko Sarukura, Masashi Yoshimura, Makoto Nakajima
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
  • 年月日: 2016-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Polarization Dependence Of IR Transmittance Of Checkerboard Patterns Containing Both Capacitive And Inductive Self‐Complementary Patterns (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaya Higashira, Tomoaki Kageyama, Kouhei Kashiwagi, Hidetoshi Miyashita, Keisuke Takano, Makoto Nakajima, Sang‐Seok Lee
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
  • 年月日: 2016-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz Radiation From Graphene Surface Plasmon Polaritons (2016)
  • 著者名/発表者名: Dazhi Li, Yuanyuan Wang, Makoto Nakajima, Masaki Hashida, Yanyu Wei, Shuji Miyamoto, Masahiko Tani
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
  • 年月日: 2016-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent Manipulation Of Laser‐induced Spin Reorientation Dynamics In ErFeO3 With Intense THz Magnetic Nearfields (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kurihara, Hiroshi Watanabe, Makoto Nakajima, Tohru Suemoto
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
  • 年月日: 2016-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] High Efficient MLD‐THz‐TDS Systems Using Laser Chaos And Super Focusing With Metal V‐grooved Waveguide (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumiyoshi Kuwashima, Takuya Shirao, Toshihiro Kishibata, Yusuke Akamine, Kazuyuki Iwao, Manatu Ooi, Naoya Sakaue,Takurou Sirasaki, Siori Gouda, Masahiko Tani, Kazuyoshi Kurihara, Kohji Yamamoto, Takeshi Nagashima, Makoto Nakajima,Masanori Hangyo
  • 学会等名: 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2016)
  • 発表場所: Copenhagen, Denmark
  • 年月日: 2016-09-27
  • 国際学会
• [学会発表] 積層型メタルスリットアレイの光学共鳴モードの交差特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂口浩一郎, 山口祐生, 高野恵介, 福嶋丈浩, 中嶋誠, 徳田安紀
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ, 新潟
  • 年月日: 2016-09-16
• [学会発表] サブテラヘルツジャイロトロン照射による発光現象の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤康作, 邱紅松, Khutoryan Eduard M., 立松芳典, 谷正彦, 出原敏孝, Empizo Melvin J. F., 山ノ井航平, 清水俊彦, 高野恵介, 猿倉信彦, 福田承生, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ, 新潟
  • 年月日: 2016-09-16
• [学会発表] Enhancement of Terahertz Magnetic Near-field by Tapered Metallic Waveguide (2016)
  • 著者名/発表者名: Hongsong Qiu, Hirofumi Harada, Kosaku Kato, Takayuki Kurihara, Keisuke Takano, Tohru Suemoto, Masahiko Tani, Nobuhiko Sarukura, Masashi Yoshimura, Makoto Nakajima
  • 学会等名: JSAP-OSA Joint Symposia 2016
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata, Japan
  • 年月日: 2016-09-15
  • 国際学会
• [学会発表] 巨視的磁気秩序の高強度テラヘルツ近接磁場によるコヒーレント制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 栗原貴之, 中嶋誠, 末元徹
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ, 新潟
  • 年月日: 2016-09-14
  • 招待講演
• [学会発表] 高強度テラヘルツ電場による銀ナノ粒子の接合 (2016)
  • 著者名/発表者名: 原田寛史, 高野恵介, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ, 新潟
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] 抵抗接続金属メッシュのブロードバンドテラヘルツ応答 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花井研一郎, 原田寛史, 高野恵介, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ, 新潟
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] レーザーカオスと金属V溝導波路による高効率THz分光システム (2016)
  • 著者名/発表者名: 桑島史欣, 白尾拓也, 赤峰勇佑, 岩尾憲幸, 大井真夏, 坂上直哉, 白崎拓郎, 合田汐里, 谷正彦, 栗原一嘉, 山本晃司, 森川治, 長島健, 中嶋誠
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ, 新潟
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Ultrafast Dynamics and Control of the Spin Systems using Terahertz Magnetic Field (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakajima, T. Kurihara, H. Watanabe, T. Suemoto
  • 学会等名: 日本磁気学会第40回学術講演会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-05
  • 招待講演
• [学会発表] Coherent control of the spin systems by terahertz magnetic field (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Suemoto, T. Kurihara, M. Nakajima and H. Watanabe
  • 学会等名: International Research School: Electronic States and Phases Induced by Electric or Optical Impacts (IMPACT 2016)
  • 発表場所: Cargèse, France
  • 年月日: 2016-08-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] テラへルツ波磁場パルスによる超高速スピン分光 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠
  • 学会等名: 神戸大学大学院工学研究科公開セミナー
  • 発表場所: 神戸大学
  • 年月日: 2016-05-27
• [学会発表] High efficient MLD-THz-TDS with super focusing effects and laser chaos (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Akamine, K. Iwao, M. Oi, S. Goda, T. Shirasaki, N. Sakaue, T. Kishibata, F. Kuwashim, M. Tani, K. Yamamoto,K. Kurihara, K. Nagashima, M. Nakajima, M. Hangyo
  • 学会等名: The 5th Advanced Lasers and Photon Sources Conference (ALPS2016)
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 2016-05-19
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz Metamaterials Utilizing Organic and Inorganic Semiconductor Hybrid System (2016)
  • 著者名/発表者名: Tatsunosuke Matsui, Keisuke Takano, Makoto Nakajima
  • 学会等名: EMN Meeting on Terahertz 2016
  • 発表場所: San Sebastain, Spain
  • 年月日: 2016-05-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast spin dynamics and control using enhanced Terahertz magnetic fields by metallic microstructure (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Nakajima, Takayuki Kurihara, Tohru Suemoto
  • 学会等名: 5th EOS Topical Meeting on Terahertz Science & Technology (TST 2016)
  • 発表場所: Pecs, Hungary
  • 年月日: 2016-05-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Efficient Optical Modulation of Terahertz Transmission in Organic and Inorganic Semiconductor Hybrid System for Printed Terahertz Electronics and Photonics (2016)
  • 著者名/発表者名: Tatsunosuke Matsui, Keisuke Takano, Makoto Nakajima and Masanori Hangyo
  • 総ページ数: 15
  • 出版者: Printed Electronics - Current Trends and Applications
• [備考] 研究者詳細 - 中嶋 誠 - 研究者総覧 - Osaka University
  • URL: http://www.dma.jim.osaka-u.ac.jp/view?l=ja&u=10001543