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2020 年度 実績報告書

テラヘルツ高強度場物理を基盤とした非線形フォトエレクトロニクスの新展開

研究課題

研究課題/領域番号 17H06124
研究機関京都大学

研究代表者

田中 耕一郎  京都大学, 理学研究科, 教授 (90212034)

研究分担者 柳 和宏  東京都立大学, 理学研究科, 教授 (30415757)
片山 郁文  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (80432532)
研究期間 (年度) 2017-05-31 – 2022-03-31
キーワード高次高調波発生 / 極端非線形光学 / テラヘルツ / 原子層物質 / THz-STM
研究実績の概要

京大グループでは、半導体における高次高調波発生(HHG)メカニズムの理解に向けて、2次元薄膜半導体である黒リンやWSe2においてHHGの研究を行った。黒リンでは結晶方位依存性や偏光特性が遷移双極子モーメントの運動量空間上の構造に対応づけられること明らかにした。WSe2においては光励起によってインコヒーレントなキャリアを導入することでHHGがどのように変調されるかを調べた。バンドギャップを境にしてHHGの振る舞いが異なることを見出し、バンド内電流とバンド間分極の寄与の切り分けに成功した。また2次元薄膜半導体に加えて、電子相関の強いモット絶縁体においてHHGの研究を開始した。その結果、1電子近似の良く成り立つ半導体では見られない、温度の低下に伴った劇的なHHG効率の増大の観測に成功した。さらに温度変化するモットギャップエネルギーに対してHHG効率が明瞭に指数関数に従う法則が存在することを明らかにした。
都立大グループでは、HHGとナノ物質構造・電子構造・フェルミレベルとの関係解明を電界効果トランジスタ技術と非線形分光測定技術を組み合わせて進めた。グラフェンにおいてHHGはフェルミレベルの位置にまったく依存しないという驚くべき結果を得た。その背景を理論研究者と議論し、ディラック型の電子構造系ではHHGのフェルミレベル依存性はレーザー強度にも依存する可能性があることを明らかにした。
横浜国大グループでは、THz-STM装置における測定条件の詳細な検討を行い、安定にTHz-STM測定を行うことが可能となった。また、THz誘起のトンネル電流に起因する発光を観測することに成功し、それが金属探針のプラズモン発光であることを明らかにした。これらの結果は、金属ポイントコンタクトにおけるエネルギー緩和過程を調べる上で重要な成果であり、論文にまとめ公表した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

半導体の原子層物質において高次高調波発生のメカニズムの発生に関する実験と理論が進み、物質の電子構造と極端な非線形光学現象の間の基本的な関連が明らかとなった。これは、当初の目的であるテラヘルツ高強度場物理を基盤とした非線形フォトエレクトロニクスの構築において極めて重要な知見であり、大きく研究が前進したことを意味している。また、上記のような半導体物質とは、質的に異なる高次高調波発生が強相関電子系では起きることを実験的に明らかにしたことは、当初の予定にはなかった結果であり、最適な物質を選ぶという観点で、研究の新しい展開が開けた。以上の理由から、「当初の計画以上に進展している」と判断する。

今後の研究の推進方策

本研究によって、単層2次元半導体であるWSe2などで励起子に起因した特異な高強度場下での光学応答が生じること、またモット絶縁体では高調波特性に特異な温度依存性が存在することが新しくわかってきた。これらの結果は、電子間の相互作用が非線形光学特性に大きな寄与をもつことを示唆する結果である。これらの研究結果を受けて、今後は強相関電子系での高強度赤外駆動下の電子状態や非線形光学応答の研究を進めていく。また、光誘起相転移などのマクロスコピックな物性変化が生ずる可能性がある材料に対しても、高次高調波発生の研究を進める。。これにより、テラヘルツから赤外領域の非線形フォトエレクトロニクスに最適な材料に関する知見を得たい。
デバイス構造に対する高強度励起効果では、未だに残されている未解明課題の解決を図る予定である。グラフェンにおいては、レーザー強度が弱い状況では、キャリア注入とともにフェルミレベルの位置に依存してHHGが大きく変化することが予想される。現状では、測定系の検出感度の課題があり、この現象を捉えることができていないが、これをバックゲート(もしくはトップゲート)構造で実現することを目指す。また、カイラル構造を反映した非線形電流に由来する高次高調波発生も試みる。
金属ポイントコンタクトを用いた極端非線形光学に関しては、分子系やナノ材料におけるTHz-STM計測を実施することによって、THz波が誘起するナノスケールのダイナミクスを解明するとともに、FETデバイスのTHz非線形応答の起源を解明し、それをもとに金属ポイントコンタクトを用いた非線形フォトエレクトロニクスの応用を検討する。これらの研究を通して、超高速の信号検出や信号処理を行うことのできるデバイス動作原理を構築することを目指したい。

  • 研究成果

    (36件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 5件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 6件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Visualization of two-dimensional transition dipole moment texture in momentum space using high-harmonic generation spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Kento Uchida, Vivek Pareek, Kohei Nagai, Keshav M Dani, Koichiro Tanaka
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 ページ: L161406

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.L161406

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Macroscopic weavable fibers of carbon nanotubes with giant thermoelectric power factor2021

    • 著者名/発表者名
      Natsumi Komatsu, Yota Ichinose, Oliver S Dewey, Lauren W Taylor, Mitchell A Trafford, Yohei Yomogida, Geoff Wehmeyer, Matteo Pasquali, Kazuhiro Yanagi, Junichiro Kono
    • 雑誌名

      Nature Comm.

      巻: 12 ページ: 1~8

    • DOI

      10.1038/s41467-021-25208-z

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Control of Thermal Conductance across Vertically Stacked Two-Dimensional van der Waals Materials via Interfacial Engineering2021

    • 著者名/発表者名
      Wenyu Yuan, Kan Ueji, Takashi Yagi, Takahiko Endo, Hong En Lim, Yasumitsu Miyata, Yohei Yomogida, Kazuhiro Yanagi,
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 15 ページ: 15902?ス?15909

    • DOI

      10.1021/acsnano.1c03822

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Improved synthesis of WS2 nanotubes with relatively small diameters by tuning sulfurization timing and reaction temperature2021

    • 著者名/発表者名
      Md Ashiqur Rahman, Yohei Yomogida, Mai Nagano, Ryoga Tanaka, Yasumitsu Miyata, Kazuhiro Yanagi
    • 雑誌名

      Jpn J. Appl. Phys.

      巻: 60 ページ: 100902

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac2013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis of relatively small-diameter tungsten ditelluride nanowires from solution-grown tungsten oxide nanowires2021

    • 著者名/発表者名
      Yohei Yomogida, Mai Nagano, Hiromu Hamasaki, Kaori Hirahara, Yasumitsu Miyata, Kazuhiro Yanagi
    • 雑誌名

      Jpn J. Appl. Phys.

      巻: 60 ページ: SCCD02

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abe201

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Waveform Sampling on an Atomic Scale2021

    • 著者名/発表者名
      J. Takeda and I. Katayama,
    • 雑誌名

      Nat. Photon.

      巻: 15 ページ: 70-71

    • DOI

      10.1038/s41566-020-00753-z

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Terahertz-field-driven Scanning Tunneling Luminescence Spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, Y. Morinaga, H. Imada, I. Katayama, K. Asakawa, K. Yoshioka, Y. Kim, and J. Takeda,
    • 雑誌名

      ASC Photon.

      巻: 8 ページ: 982-987

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.0c01755

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamical symmetry of strongly light-driven electronic system in crystalline solids2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Nagai, Kento Uchida, Naotaka Yoshikawa, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Koichiro Tanaka
    • 雑誌名

      Communication Physics

      巻: 3 ページ: 137

    • DOI

      10.1038/s42005-020-00399-x

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Observation of Photoinduced Terahertz Gain in a GaAs Quantum Wells: Evidence for Radiative Two-Exciton-to-Biexciton Scattering2020

    • 著者名/発表者名
      X. Li, K. Yoshioka, Q. Zhang, N. M. Peraca, F. Katsutani, W. Gao, G. T. Noe II, J. D. Watson, Michael J. Manfra, I. Katayama, J. Takeda, and J.Kono
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett

      巻: 125 ページ: 167401:1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.125.167401

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultrafast Optical Modulation of Dirac Electrons in Gated Single Layer Graphene2020

    • 著者名/発表者名
      I. Katayama, K. Inoue, Y. Arashida, Y. Wu, H. Yang, T. Inoue, S. Chiashi, S. Maruyama, T. Nagao, M. Kitajima, and J. Takeda,
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 101 ページ: 245408:1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.245408

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Macroscopic Ionic Flow in a Superionic Conductor Na+ホイ-Alumina Driven by Single-Cycle Terahertz Pulse2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Minami, B. Ofori-Okai, P. Sivarajah, I. Katayama, J. Takeda, K. A. Nelson, and T. Suemoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 124 ページ: 147401:1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.245408

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Nanoscale Phase Change on Ge2Sb2Te5 Thin Films Induced by Optical Near Fields with Photoassisted Scanning Tunneling Microscope2020

    • 著者名/発表者名
      K. Asakawa, D. Kim, S. Yaguchi, M. Tsujii, K. Yoshioka, K. Kaneshima, Y. Arashida, S. Yoshida, H. Shigekawa, M. Kuwahara, I. Katayama, and J. Takeda
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 117 ページ: 211102:1-5

    • DOI

      10.1063/5.0032573

    • 査読あり
  • [学会発表] LaMnO3における高次高調波発生2021

    • 著者名/発表者名
      中野愛子
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 2次元半導体WSe2における高強度中赤外光誘起の励起子共鳴蛍光2021

    • 著者名/発表者名
      内田健人
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] Ti4O7における高次高調波の励起強度依存性2021

    • 著者名/発表者名
      渡邊雅之
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 共鳴励起高次高調波発生を利用した運動量空間中での遷移双極子モーメント構造の可視化2021

    • 著者名/発表者名
      内田健人
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
  • [学会発表] 金属型単層カーボンナノチューブとグラフェンにおける高次高調波発生のフェルミレベル依存性2021

    • 著者名/発表者名
      西留比呂幸
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
  • [学会発表] (チュートリアル講演)テラヘルツ走査トンネル顕微鏡によるナノスケール・超高速電子制御2021

    • 著者名/発表者名
      片山郁文
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] The origin of even and odd order optical response of coherent phonons in TMDCs2021

    • 著者名/発表者名
      べ・ソンミン、ハンネス・レービガー、松本華奈、片山郁文、Orjan S. Handgard、北島正弘、長尾忠昭、武田 淳、Junichiro Kono、.
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] Investigation of Luminescence from a Localized Plasmon Induced by THz-Field-Driven Tunneling Electrons2021

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, Y. Morinaga, H. Imada, I. Katayama, K. Asakawa, K. Yoshioka, Y. Kim, J. Takeda, Investigation of Luminescence from a Localized Plasmon Induced by THz-Field-Driven Tunneling Electrons
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] The origin of even and odd order optical response of coherent phonons in TMDCs2021

    • 著者名/発表者名
      べ・ソンミン、ハンネス・レービガー、松本華奈、片山郁文、Orjan S. Handgard、北島正弘、長尾忠昭、武田 淳、Junichiro Kono
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 時間分解ARPESによるWSe2光ドレスド状態の超高速バンドイメージング2021

    • 著者名/発表者名
      吉岡亮、篠原 康、岡本拓也、国橋要司、加藤景子、増子拓紀、関根佳明、日比野浩樹、片山郁文、武田 淳、小栗克弥
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Strong Light Field Effects in Solids2021

    • 著者名/発表者名
      Koichiro Tanaka
    • 学会等名
      CLEO
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High harmonic generation from low dimensional materials2021

    • 著者名/発表者名
      Koichiro Tanaka
    • 学会等名
      CLEO-EUROPE
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Comparison of gate-tuned high-harmonic generation between metallic single-walled carbon nanotubes and graphen2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Nishidome
    • 学会等名
      International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] Comparison between high harmonic generation in metallic single-walled carbon nanotubes and graphene2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Nishidome
    • 学会等名
      The 61st Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Coherent Zone-Corner Acoustic Phonons in Transition Metal Dichalcogenide MoSe22021

    • 著者名/発表者名
      I. Katayama, S. Bae, K. Matsumoto, M. Kitajima, K. Shudo, H. Raebiger, and J. Takeda,
    • 学会等名
      International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT 2021),
    • 国際学会
  • [学会発表] 薄層WSe2における高次高調波発生の光キャリアドーピング効果2020

    • 著者名/発表者名
      永井恒平
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] Ti4O7における金属絶縁体転移に対する高次高調波の方位依存性の変化2020

    • 著者名/発表者名
      渡辺雅之
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] Ca2RuO4における高次高調波の温度依存性2020

    • 著者名/発表者名
      内田健人
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
  • [学会発表] テラヘルツ波照射によるイオン伝導体内の超高速イオン伝導の半定量的解析2020

    • 著者名/発表者名
      南 康夫、片山郁文、武田 淳、末元 徹
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] 低温下におけるビスマス中ディラック電子のサブサイクルTHz分光:相対論的加速効果とツェナートンネリング2020

    • 著者名/発表者名
      金島圭佑、萩原俊雄、青井一右、柴田准希、O. S. Handegard、長尾忠昭、嵐田雄介、武田 淳、片山郁文.
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] Nanoscale phase transition of Ge2Sb2Te5 induced by locally enhanced laser fields at a tunnel junction2020

    • 著者名/発表者名
      D. Kim, K. Asakawa, S. Yaguchi, M. Tsujii, K. Kaneshima, K. Yoshioka, Y. Arashida, S. Yoshida, H. Shigekawa, M. Kuwahara, I. Katayama, and J. Takeda
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 高調波発生を用いた金属チタンにおける電子状態の異方性計測2020

    • 著者名/発表者名
      高階君佳、内田健人、田中耕一郎、松永哲也、御手洗容子、金島圭佑、武田 淳、片山郁文、
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Photo-carrier doping effect on high-order harmonic generation in monolayer WSe22020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Nagai
    • 学会等名
      IRMMW-THz 2020
    • 国際学会
  • [備考] 光物性研究室WEB

    • URL

      http://www.hikari.scphys.kyoto-u.ac.jp/jp/index.php

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公開日: 2022-12-28  

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