超広帯域シングルショット分光：限界駆動下における非線形光学応答の可視化と制御

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04001
• 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)
• 研究分担者: 南 康夫 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 特任准教授 (60578368) ; 片山 郁文 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80432532)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: シングルショット / フェムト秒 / 相変化材料 / テラヘルツ

研究実績の概要

本研究課題では、応募者が独自に開発した時間・周波数2次元シングルショット分光技術に高強度・広帯域テラヘルツ（THz）波発生・検出系を組み込み、超広帯域シングルショット分光法を構築する。完成した分光技術を駆使して、極限励起・限界駆動下における電子・格子結合や伝導電子・局在電子の非線形光学応答のダイナミクスを明らかにする。
最終年度である本年は、超イオン伝導体βアルミナを対象に、電子よりはるかに重いイオンを高強度テラヘルツ波により伝導させることを目指した。その結果、高強度テラヘルツ波照射により振動モード強度が非線形的に消失し、それとともにマクロな電流が流れることを見出した。また、実空間でのイオンの運動をシミュレーションすることにより、高強度テラヘルツ波照射下ではサブピコ秒オーダーでイオンが移動していることが分かった。
一方、物質の非線形光学応答を可視からテラヘルツ領域まで計測可能なエシェロンベースのシングルショット光・テラヘルツカー効果分光系を構築し、典型的な有機媒質の非線形光学応答とコヒーレント分子振動を可視化することに成功した。また、相変化材料においては、光と走査トンネル顕微鏡（STM）を組み合わせ、STMの探針-試料間に光パルスを入射することでナノスケールでののアモルファス化を誘起し、トンネル分光を通してその局所的な構造変化を調べた。その結果、ある閾値以上の光照射により、ナノスケールで光誘起アモルファス化が生じることを見出した。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30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] Massachusetts Institute of Technology(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Massachusetts Institute of Technology
• [国際共同研究] California Institute of Technology(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: California Institute of Technology
• [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: Yoshioka Katsumasa、Katayama Ikufumi、Arashida Yusuke、Ban Atsuhiko、Kawada Yoichi、Konishi Kuniaki、Takahashi Hironori、Takeda Jun
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 18 ページ: 5198～5204
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02161
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-lived photoinduced response observed under extreme photoexcitation densities in a one-dimensional Peierls insulator (2018)
  • 著者名/発表者名: Wolfson Johanna W.、Teitelbaum Samuel W.、Shin Taeho、Katayama Ikufumi、Kawano Taro、Takeda Jun、Nelson Keith A.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 054111
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.054111
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Terahertz-field-induced carrier generation in Bi1-xSbx Dirac electron systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Katayama I.、Kawakami H.、Hagiwara T.、Arashida Y.、Minami Y.、Nien L.-W.、Handegard O. S.、Nagao T.、Kitajima M.、Takeda J.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 214302
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.214302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anharmonic phonon-polariton dynamics in ferroelectric LiNbO3 studied with single-shot pump-probe imaging spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuribayashi T.、Motoyama T.、Arashida Y.、Katayama I.、Takeda J.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 123 ページ: 174103～174103
  • DOI: 10.1063/1.5021379
  • 査読あり
• [学会発表] 固体電子系におけるペタヘルツ超高周波現象の時間応答特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 増子拓紀、小栗克弥、千菅雄太、片山郁文、武田 淳、後藤秀樹
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
  • 招待講演
• [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: 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: 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] 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: The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonlinear Terahertz Dynamics of Dirac Electrons in Bi Thin Film (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
• [備考] 武田・片山・浅川研究室
  • URL: http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/
• [備考] 光ナノ計測・情報通信研究拠点
  • 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
  • 産業財産権番号: US20190064209A1
  • 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
  • 産業財産権番号: US20190064210A1
  • 外国