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

2017 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, レーザー科学研究所, 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 / 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。
金属ナノクラスタを有機材料に導入することで、非線形な電流電圧特性,双安定性が現れることを確認した。テラヘルツ波を照射できるように、試料表面に回折格子状の電極を設置し、この状態に、テラヘルツ波パルスを照射することで、高抵抗状態・低抵抗状態間をスイッチすることが可能であることが明らかになった。この成果は応用物理学会で発表された。照射による電気伝導度の変化量の改善やその機構の解明をはじめとして、時間応答測定の実施などを研究をさらに進めていく必要がある。
相制御の観点から、磁性体ErFeO3のスピン再配列転移近傍において、テラヘルツ磁場パルスと、光パルスを照射することにより、相転移後の巨視的磁化をコヒーレント制御できることを明らかにした。これは超高速磁気メモリ等に応用可能であることを示したものであり、Physical Review Letters誌に掲載された。テラヘルツ波に強励起するために、メタマテリアルをはじめとする微小共振器を利用することが有効であるこを示した。またこの金属微細構造と導波路を組み合わせることでさらなる強励起が可能であることをOptics Letters誌にて発表した。
また、相変化メモリとして期待される光記録材料カルコゲン系GeTe-Sb2Te3に、高強度のテラヘルツパルスを照射することで、波長以下の微細構造変化が生じることが確認された(Scientific Reports誌)。テラヘルツ波パルスによって構造変化・加工を誘起できる可能性を示しており、興味深い。

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

金属ナノクラスタを含む有機双安定材料において、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。応答変化の改善を目指し、試料の最適化を進めていく必要がある。また、超高速な応答については、高速オシロスコープによる電気的計測だけでなく、光学的手法(テラヘルツ波ポンププローブ分光)を交えて明らかにしていきたい。　本試料での計測を進めていくとともに類似の試料においても、測定を行うことで、目的の実現を目指して、研究を進めていく。

今後の研究の推進方策

本年度は最終年度として、これまで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伝導制御の実現やその機構解明の研究を継続し実施する。また、高強度なテラヘルツ波パルス照射による、相制御や、物質状態のコントロールの実現を目指して研究を進めていく。
有機材料において、テラヘルツ照射によって、伝導状態が異なる状態にスイッチできることが確認されたが、未だその時間ダイナミクスに関する情報は取得できていない。昨年度、この課題を実現するために、テラヘルツ波ポンプテラヘルツ検出のポンププローブ法の構築を行った。本システムを用いて、テラヘルツ照射直後の伝導状態の変化を観測していく。また、試料の改良が非常に重要であることが分かってきており、試料構造や作製条件の最適化を進めていく必要がある。テラヘルツ検出による伝導度の変化だけでなく、光検出や光ファラデー検出と組み合わせて、テラヘルツパルス照射による伝導状態変化や物質状態の変化について、その時間ダイナミクスを明らかにしていきたい。
高強度なテラヘルツパルスの照射では、これまで行ってきたフェムト秒パルスレーザー励起によるものだけでなく、テラヘルツ自由電子レーザー等の外部の大型光源をを用い他測定も検討し、テラヘルツ波による、伝導状態をはじめとする相制御の測定をおこなっていく。
テラヘルツ波による伝導状態をはじめとする相制御を実現することで、新規のデバイス展開の可能性を探索する。

研究成果

• [国際共同研究] 南京大学/南京郵電大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 南京大学/南京郵電大学
• [国際共同研究] Konstanz大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Konstanz大学
• [雑誌論文] Significant Volume Expansion as a Precursor to Ablation and Micropattern Formation in Phase Change Material Induced by Intense Terahertz Pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Makino, K. Kato, K. Takano, Y. Saito, J. Tominaga, T. Nakano, G. Isoyama and M. Nakajima
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 2914
  • DOI: 10.1 038/s41598-018-21275-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancing THz magnetic near-field induced by micro-split-ring resonator with a tapered waveguide (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Qiu, T. Kurihara, H. Harada,K. Kato,K. Takano, T. Suemoto, M. Tani, N. Sarukura, M. Yoshimura, and M. Nakajima
  • 雑誌名: Opt. Lett. 巻: 43 ページ: 1658-1661
  • DOI: 10.1364/OL.43.001658
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical Reflectance of Patterned Frost Column-like CNT Forest for Metamaterial Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Miyaji, A. Pander, K. Takano, H. Kohno, A. Hatta, M. Nakajima, H. Furuta
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 83 ページ: 196-203
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2018.02.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Macroscopic Magnetization Control by Symmetry Breaking of Photoinduced Spin Reorientation with Intense Terahertz Magnetic Near Field (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kurihara, H. Watanabe, M. Nakajima, S. Karube, K. Oto, Y. Otani, and T. Suemoto
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 120 ページ: 107202
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.107202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantized conductance observed during sintering of silver nanoparticles by intense terahertz pulses editors-pick (2018)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Takano, Hirofumi Harada, Masashi Yoshimura, and Makoto Nakajima
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 112 ページ: 163102
  • DOI: 10.1063/1.5022706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphene-assisted high-efficiency liquid crystal tunable terahertz metamaterial absorber (2017)
  • 著者名/発表者名: Lei Wang, Shijun Ge, Wei Hu, Makoto Nakajima, and Yanqing Lu
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 25 ページ: 23873
  • DOI: 10.1364/OE.25.023873
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strong yellow emission of high-conductivity bulk ZnO single crystals irradiated with high-power gyrotron beam (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Kato, H. Qiu, E. M. Khutoryan, Y. Tatematsu, M. Tani,T. Idehara, Y. Yamaguchi, M. Fukunari, Y. Maeda, K. Takayama,Y. Minami, M. F. Empizo, T. Kurihara, K. Yamanoi, T. Shimizu, K. Takano, N. Sarukura, T. Fukuda, M. Yoshimura, and M. Nakajima
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 111 ページ: 031108
  • DOI: doi:10.1063/1.4994316
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tunable reflective liquid crystal terahertz waveplates (2017)
  • 著者名/発表者名: L. Wang, S.Ge, W. Hu, M. Nakajima, and Y. Lu
  • 雑誌名: Optical Materials Express 巻: 7 ページ: 2023-2029
  • DOI: doi:10.1364/OME.7.002023
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical damage assessment and recovery investigation of hydrogen-ion and deuterium-ion plasma-irradiated bulk ZnO single crystals (2017)
  • 著者名/発表者名: M. F. Empizo, K Yamanoi, K Mori, K. Iwano, Y. Iwasa, Y. Minami, R. Arita, K. Fukuda, K. Takano, T. Shimizu, M. Nakajima, M. Yoshimura, N. Sarukura, T. Norimatsu, M. Hangyo, H. Azechi, T. Fukuda, B. G. Singidas, R. V. Sarmago, M. Oya, and Y. Ueda
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 121 ページ: 175102
  • DOI: doi:10.1063/1.4982346
  • 査読あり
• [雑誌論文] The influence of the inner structure of CNT forest metamaterials in the infrared regime (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Pander, K. Takano, A. Hatta, M. Nakajima, and H. Furuta
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 80 ページ: 99-107
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2017.10.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of Distance Between Metal Squares in Checkerboard Patterns on Transmittance Characteristics in the Infrared Region (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Higashira, T. Kageyama, K. Kashiwagi, H. Miyashita, K. Takano, M Nakajima, S.S. Lee
  • 雑誌名: J. Infrared Milli Terahz Waves 巻: 38 ページ: 1098-1106
  • DOI: 10.1007/s10762-017-0403-0
  • 査読あり
• [学会発表] Research on the Radiative Eigenmodes in Terahertz Wave Region from Metallic Slit Array (2018)
  • 著者名/発表者名: K.T.N.Phan, D. Li, K. Kato, M. Tani, M. Yoshimura, and M. Nakajima
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] レーザーカオスと金属Ｖ溝を用いたTHz-TDSにおけるギャップ幅の影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 桑島 史欣,白尾 拓也,岩尾 憲幸, 大井 真夏, 坂上 直哉, 崎 拓郎,谷正彦, 栗原 一嘉, 山本 晃司, 森川 治, 北原 英明, 中嶋 誠
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [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 THz 計測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂口 浩一郎、高野 恵介、加藤 康作、中嶋 誠、徳田 安紀
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [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] Enhanced Terahertz Emission from Micro Structure Fabricated from Silver Nanoparticles (2017)
  • 著者名/発表者名: Khoa Nhat Thanh Phan, Kosaku Kato, Keisuke Takano, Masashi Yoshimura, Hiroshi Azechi, and Makoto Nakajima
  • 学会等名: The 6th "Advanced Lasers and Photon Sources Conference" (ALPS'17)
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz Magnetic Field Enhancement by a Tapered Metallic Waveguide (2017)
  • 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 and Makoto Nakajima
  • 学会等名: The 6th "Advanced Lasers and Photon Sources Conference" (ALPS'17)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Metal V-grooved Wave guide gap width on high efficient CW-THz TDS systems using laser chaos and super focusing (2017)
  • 著者名/発表者名: Fumiyoshi Kuwashima, Takuya Shirao, Yusuke Akamine, Kazuyuki Iwao, Manatsu Ooi, Naoya Sakaue, Takurou Sirasaki, Siori Gouda1, Masahiko Tani, Kazuyoshi Kurihara, Kohji Yamamoto, Osamu Morikawa, Hideaki Kitahara, Makoto Nakajima
  • 学会等名: The 6th "Advanced Lasers and Photon Sources Conference" (ALPS'17)
  • 国際学会
• [学会発表] テラヘルツ波パルスによる巨視的磁化のコヒーレント制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠
  • 学会等名: 第５回豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
  • 招待講演
• [学会発表] テラヘルツ波によるスピン・磁化の制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠
  • 学会等名: “テラヘルツ波によるスピン・磁化の制御” , 応用物理学会・テラヘルツ電磁波技術研究会 2017年第1回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 有機双安定メモリにおけるテラヘルツ波パルスによる伝導制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 浅井洵基, 渡邉 裕貴, 紅松邱, 瀬川定志, 加藤康作, 高野恵介, 松井龍之介, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高強度テラヘルツ波による相変化材料のアブレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 牧野孝太郎, 加藤康作, 高野恵介, 齊藤雄太, 富永淳二, 中野隆志, 磯山悟朗, 中嶋誠
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] SmFeO3におけるテラヘルツ帯スピンダイナミクスの研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 弘田和將, Qiu Hongsong, 加藤康作, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 複合グレーティングによる電磁モード分散特性解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 李大治, 中嶋誠, 橋田昌樹, 谷正彦, 浅川誠
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Shape Effects of CNT Forest Metamaterials on IR and THz Properties (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Furuta, Adam Pander, Keisuke Takano, Hiroki Miyaji, Akimitsu Hatta, Makoto Nakajima
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Terahertz Emission Based on Spin Current from Ferromagnetic Heterostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: Hongsong Qiu, Kosaku Kato, Kazumasa Hirota, Nobuhiko Sarukura, Masashi Yoshimura, Makoto Nakajima
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Tunable reflective liquid crystal terahertz waveplates (2017)
  • 著者名/発表者名: Lei Wang, Yanqing Lu, Makoto Nakajima
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] THz Emission Based on Spin Current from Magnetic Heterostructure (2017)
  • 著者名/発表者名: Hongsong Qiu, Kosaku Kato, Kazumasa Hirota, Nobuhiko Sarukura,Masashi Yoshimura, Makoto Nakajima
  • 学会等名: 第5回豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
• [学会発表] Enhanced Terahertz Emission from Micro Split Ring Resonator Fabricated from Nanoparticles (2017)
  • 著者名/発表者名: Khoa Nhat Thanh Phan, Kosaku Kato, Keisuke Takano, Masashi Yoshimura, Hiroshi Azechi, and Makoto Nakajima
  • 学会等名: 第5回豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
• [学会発表] SmFeO3 におけるF/AF モード共鳴周波数の温度依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 弘田和將, 邱 紅松, 加藤康作, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第5回豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
• [学会発表] テラヘルツ波パルスによる有機双安定素子の超高速伝導制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 浅井洵基, 渡邉裕貴, 邱紅松, 瀬川定志, 加藤康作, 高野恵介, 松井龍之介, 吉村政志, 中嶋誠
  • 学会等名: 第5回豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
• [学会発表] ジャイロトンのサブテラヘルツ波照射によるZnO結晶の発光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤康作, 邱紅松, Eduard M.Khutoryan, 立松芳典, 谷正彦, 出原敏孝, 南佑輝, Melvin John F. Empizo, 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5回豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
• [学会発表] Liquid crystal tunable terahertz metamaterial/graphene absorber (2017)
  • 著者名/発表者名: Lei Wang, Makoto Nakajima, and Yanqing Lu
  • 学会等名: 第5回豊田理研ワークショップ「スピン秩序の動的光制御」
• [備考] 大阪大学 研究者総覧
  • URL: http://www.dma.jim.osaka-u.ac.jp/view?l=ja&u=10001543