テラヘルツ時間分解STMの開発

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H05982
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 吉田 昭二 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90447227)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 走査プローブ顕微鏡

研究実績の概要

本研究ではサブピコ秒時間分解能・原子レベル空間分解能を併せ持つ新しい顕微鏡-時間分解THz-STMの開発を行った。時間分解THz-STMでは、単一サイクルのTHzパルスをSTMのトンネル接合に照射する。探針先端近傍においてSTM探針のアンテナ効果により増強されたTHzパルス電場を用いて瞬間的にトンネル電流を駆動し、これをプローブとして試料の励起状態の時間分解計測を行う。
本研究では高いS/N比での測定を行うために高出力(40W)かつ高繰り返し周波数(50MHz)のフェムト秒レーザーを導入し、高強度・高繰り返しTHzパルスの発生に成功した。次に作成したTHzパルス光源をSTMトンネル接合に照射しTHz誘起トンネル電流の観測することに成功した。さらにTHz誘起電流を用いた原子分解能STM像観察に成功しTHz-STMがSTM同等の原子分解能を有することを実証した。
続いて時間分解測定の基盤として、探針先端におけるTHz近接場波形の計測法を開発した。今回開発した手法を用いることで、これまで計測することが難しかった探針先端の近接場波形を初めて定量的に評価することが可能になった。
完成した測定装置を用いて、様々な試料に対して超高速ダイナミクス計測に展開した。1T-MoTe2表面では赤外パルスにより励起した光キャリアの100psオーダーの再結合緩和の観測に成功し、1T-TaS2表面では光誘起金属-絶縁体転移により10ピコ秒以下の時間スケールで起こる電子状態変化を捉えることに成功した。フラーレン多層膜表面ではフラーレン分子のLUMOに光注入された電子が多層膜面内および面直方向に拡散する様子をサブps時間分解能かつ単分子分解能でイメージングすることに成功した。

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

• [雑誌論文] Surface-mediated spin dynamics probed by optical-pump?probe scanning tunneling microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Wang Zi-Han、Yoon Cheul-Hyun、Yoshida Shoji、Arashida Yusuke、Takeuchi Osamu、Ohno Yuzo、Shigekawa Hidemi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 21 ページ: 7256～7260
  • DOI: 10.1039/C8CP07786J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Externally triggerable optical pump-probe scanning tunneling microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Mogi Hiroyuki、Wang Zi-han、Kikuchi Ryusei、Hyun Yoon Cheul、Yoshida Shoji、Takeuchi Osamu、Shigekawa Hidemi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 ページ: 025005～025005
  • DOI: 10.7567/1882-0786/aaf8b2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Subcycle Transient Scanning Tunneling Spectroscopy with Visualization of Enhanced Terahertz Near Field (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Shoji、Hirori Hideki、Tachizaki Takehiro、Yoshioka Katsumasa、Arashida Yusuke、Wang Zi-Han、Sanari Yasuyuki、Takeuchi Osamu、Kanemitsu Yoshihiko、Shigekawa Hidemi
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 6 ページ: 1356～1364
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00266
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuous Heteroepitaxy of Two-Dimensional Heterostructures Based on Layered Chalcogenides (2019)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Yu、Yoshida Shoji、Maruyama Mina、Mogi Hiroyuki、Murase Kota、Maniwa Yutaka、Takeuchi Osamu、Okada Susumu、Shigekawa Hidemi、Miyata Yasumitsu
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 13 ページ: 7527～7535
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b07991
  • 査読あり
• [雑誌論文] New delay-time modulation scheme for optical pump?probe scanning tunneling microscopy (OPP-STM) with minimized light-intensity modulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Osamu、Mogi Hiroyuki、Wang Zi-Han、Yoon Cheul Hyun、Taninaka Atsushi、Yoshida Shoji、Shigekawa Hidemi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 ページ: SIIA12～SIIA12
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab1255
  • 査読あり
• [雑誌論文] Subcycle mid-infrared coherent transients at 4 MHz repetition rate applicable to light-wave-driven scanning tunneling microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshioka Katsumasa、Igarashi Ippo、Yoshida Shoji、Arashida Yusuke、Katayama Ikufumi、Takeda Jun、Shigekawa Hidemi
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 44 ページ: 5350～5350
  • DOI: 10.1364/OL.44.005350
• [学会発表] sub-ps Snapshot of Electron Dynamics in an Organic Thin Film Captured by THz-STM (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshida, Y. Arashida, H. Hirori, T. Tachizaki, H. Ueno, I. Igarashi, Y. Shinomiya, O.Takeuchi, and H. Shigekawa
  • 学会等名: 27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 国際学会
• [学会発表] 時間分解THz-STMによる光誘起ダイナミクスの計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田昭二, 廣理英基, 立崎武弘, 嵐田雄介, 吉岡克将, 四ノ宮慶保, 上野寛輝, 五十嵐一歩, 武内修, 重川秀実
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会