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2022 年度 実績報告書

位相制御近接場によるハイブリッド極限時空間分光の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 20H05662
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 金 有洙  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50373296)
片山 郁文  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (80432532)
今田 裕  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 上級研究員 (80586917)
吉田 昭二  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90447227)
草場 哲  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 助教 (00961640)
研究期間 (年度) 2020-08-31 – 2025-03-31
キーワードテラヘルツ / 近接場分光 / STM発光 / 中赤外パルス
研究実績の概要

極限的な時空間で電子状態や帯電状態を精密制御し、物質の構造や機能を実空間・実時間で自在に操作することは、ナノ科学、材料科学分野にとって最重要課題の1つである。本研究では、位相制御した遠赤外(テラヘルツ:THz)~中赤外(MIR)パルスと走査トンネル顕微鏡(STM)を巧みに組み合わせ、原子分解能とフェムト秒の時間分解能でトンネル電流及び発光を検出できる“極限時空間分光”システムを開拓する。この技術を駆使し、単一分子発光ダイナミクスの検出と制御、半導体表面・界面の光励起キャリアや振動ダイナミクスの検出と制御、ナノスケール相変化の観測と制御を実現する。
2022年度は、主に、(1)フタロシアニン(Pc)をテスト分子とした単一分子発光の検出と励起状態制御、(2)有機薄膜や原子層物質を用いた光励起キャリアのダイナミクス計測、(3)相変化材料のTHz電場駆動ナノスケール相変化の観測を行った。(1)においては、THzーSTM発光分光により世界ではじめてPc単分子の発光を検出するとともに、発光強度がTHzの位相により制御できることを見出した。(2)においては、THzおよびMIR-STMを駆使し、MoTe2や単原子層物質のキャリアダイナミクスを明らかにした。(3)においては、THz照射により、新規相変化材料Cr2Ge2Te6の表面にナノスケールでアモルファス・結晶相変化を誘起することに成功した。
これらを通して、構築した極限時空間分光技術が、ナノスケールの物性観測・制御に極めて有効であることを実証した。

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

本研究は、世界に類を見ない2つの分光技術(位相制御THz-STM発光分光およびMIR-STM)を開発し、これらを統合した極限時空間分光システムにより、THz~MIRの周波数帯域において多様な物性を極限的時空間で操作・制御するものである。すでに位相制御THz-STMが3研究機関で構築され、理研においてはTHz-STM発光分光システム、筑波大においてはMIR-STMが稼動している。THz-STM発光分光システムでは、世界ではじめて単分子からのTHz電場誘起発光の観測に成功し、THz波の位相制御により発光強度が変調されること、すなわち「単分子の励起状態」を操作できることを示した。MIR-STMシステムでは、30フェムト秒というこれまでに未踏の時間分解能で原子スケールのポンプ・プローブ分光ができることを示した。また、位相制御THz-STMでは、探針増強THz近接場を利用したナノスケール相変化を実現できた。更に、THz位相技術を通常の物性計測にも適用し、単原子層物質のコヒーレントフォノン生成の起源を明らかにできた。
これらは、いずれも物質科学に新風を巻き起こす成果であり、「当初の計画以上に研究が進展している」ものと自負する。

今後の研究の推進方策

今後、各々の研究機関において、構築したTHz-STM、MIR-STMを利用した物性計測を加速させる。フタロシアニン単分子においては、時間遅延を付与した2つの位相制御THzパルスにより時間分解計測を試み、世界初の単分子発光ダイナミクスの観測に挑戦する。また、ストリークカメラなどによるダイナミクス計測も視野に入れる。MIR-STMでは、半導体表面界面での励起キャリアの時空間発展を明らかにする。相変化材料においては、位相制御THz-STMを駆使して、アモルファス表面上にナノスケールの結晶相描画(あるいはその逆)を行い、超高密度記録材料作製の基本原理を構築する。
これらを通して、極限時空間分光の先進性・優位性をアピールし、ナノ科学、材料科学分野全般に波及するナノ計測技術に仕立てる。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] ライス大学/カルフォルニア工科大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      ライス大学/カルフォルニア工科大学
  • [雑誌論文] Magnetically tuned continuous transition from weak to strong coupling in terahertz magnon polaritons2023

    • 著者名/発表者名
      Baydin Andrey、Hayashida Kenji、Makihara Takuma、Tay Fuyang、Ma Xiaoxuan、Ren Wei、Ma Guohong、Noe G. Timothy、Katayama Ikufumi、Takeda Jun、Nojiri Hiroyuki、Cao Shixun、Bamba Motoaki、Kono Junichiro
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 5 ページ: L012039

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.5.L012039

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Investigation of ultrafast excited-state dynamics at the nanoscale with terahertz field-induced electron tunneling and photon emission2023

    • 著者名/発表者名
      Katayama Ikufumi、Kimura Kensuke、Imada Hiroshi、Kim Yousoo、Takeda Jun
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 133 ページ: 110903~110903

    • DOI

      10.1063/5.0144218

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Pulse-to-pulse ultrafast dynamics of highly photoexcited Ge<sub>2</sub>Sb<sub>2</sub>Te<sub>5</sub> thin films2023

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Masataka、Arashida Yusuke、Asakawa Kanta、Kaneshima Keisuke、Kuwahara Masashi、Konishi Kuniaki、Yumoto Junji、Kuwata-Gonokami Makoto、Takeda Jun、Katayama Ikufumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 ページ: 022001~022001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acb476

    • 査読あり
  • [雑誌論文] K-point longitudinal acoustic phonons are responsible for ultrafast intervalley scattering in monolayer MoSe22022

    • 著者名/発表者名
      Bae Soungmin、Matsumoto Kana、Raebiger Hannes、Shudo Ken-ichi、Kim Yong-Hoon、Handeg?rd ?rjan Sele、Nagao Tadaaki、Kitajima Masahiro、Sakai Yuji、Zhang Xiang、Vajtai Robert、Ajayan Pulickel、Kono Junichiro、Takeda Jun、Katayama Ikufumi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 ページ: 4279

    • DOI

      10.1038/s41467-022-32008-6

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Subcycle Mid-Infrared Electric-Field-Driven Scanning Tunneling Microscopy with a Time Resolution Higher Than 30 fs2022

    • 著者名/発表者名
      Arashida Yusuke、Mogi Hiroyuki、Ishikawa Masashi、Igarashi Ippo、Hatanaka Akira、Umeda Naoki、Peng Jinbo、Yoshida Shoji、Takeuchi Osamu、Shigekawa Hidemi
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 9 ページ: 3156~3164

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.2c00995

    • 査読あり
  • [学会発表] 新奇相変化材料Cr2Ge2Te6における光励起キャリアダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      草場 哲、神本健汰、矢口優介、王 吟麗、双 逸、須藤祐司、玉置 亮、片山郁文、武田 淳
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 光照射STMによるグラフェンナノデバイスの熱励起電子観測2023

    • 著者名/発表者名
      川村亮太、金 唐逸、Fayong Liu、玉置 亮、草場 哲、水田 博、片山郁文、武田淳
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 層状半導体WSe2における広帯域THz電場励起コヒーレントフォノンの観測2023

    • 著者名/発表者名
      草場 哲、H. W. Lin, 玉置 亮, 片山郁文, G. A. Blake, 武田 淳
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] Development of THz-Field-Driven Scanning Tunneling Luminescence Spectroscopy for Future Investigation of Exciton Dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, Y. Moringa, H. Imada, I. Katayama, K. Asakawa, K. Yoshioka, Y. Kim, and J. Takeda
    • 学会等名
      241st ECS Meeting (Vancouver, Canada, May 29- June 2, 2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Chirped-Pulse Up-Conversion Spectroscopy with Dispersion Compensation Applicable to Terahertz Waveform Detection in Time-Domain2022

    • 著者名/発表者名
      R. Tamaki, M. Suzuki, J. Takeda, and I. Katayama
    • 学会等名
      23rd International Conference on Ultrafast Phenomena (UP2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Femtosecond Ablation Dynamics Observed with Terahertz Radiation2022

    • 著者名/発表者名
      R. Tamaki, T. Kasai, G. Asai, D. Hata, H. Kubo, Y. Takigawa, J. Takeda, and I. Katayama
    • 学会等名
      47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Higher-order Optical Response of Acoustic Phonon Generation in Monolayer MoSe2 Observed by Sub-10-fs Coherent Phonon Spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      S. Bae, K. Matsumoto, H. Raebiger, O. S. Handegard, T. Nagao, M. Kitajima, J. Kono, J. Takeda, and I. Katayama
    • 学会等名
      THE 22ND INTERNATIONAL VACUUM CONGRESS (IVC-22)
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of STM-luminescence Induced by THz-field-driven Tunneling Electrons2022

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, Y. Morinaga, H. Imada, I. Katayama, K. Asakawa, K. Yoshioka, Y. Kim, and J. Takeda
    • 学会等名
      THE 22ND INTERNATIONAL VACUUM CONGRESS (IVC-22)
    • 国際学会
  • [学会発表] Transient refraction spectroscopy with double attosecond pulses in inner-subshell electron2022

    • 著者名/発表者名
      H. Mashiko, A. Oshima, M-C. Chen, I. Katayama, J. Takeda, and K. Oguri
    • 学会等名
      The 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] KBr 超薄膜上に吸着したフタロシアニン単一分子の STM発光測定2022

    • 著者名/発表者名
      近藤魁人、木村謙介、今田 裕、片山郁文、武田 淳、金 有洙
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 相変化物質 Cr2Ge2Te6における熱的ナノスケール相変化のSTM観測2022

    • 著者名/発表者名
      金 唐逸、佐藤大輝、川村亮太、玉置 亮、草場 哲、王 吟麗、双 逸、須藤祐司、片山郁文、武田 淳
    • 学会等名
      83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 新奇相変化材料Cr2Ge2Te6におけるシングルショット過渡吸収計測(優秀ポスター賞)2022

    • 著者名/発表者名
      神本健汰、草場 哲、矢口優介、王 吟麗、双 逸、須藤祐司、玉置 亮、片山郁文、武田 淳
    • 学会等名
      第7回フォトニクスワークショップ
  • [学会発表] STM発光分光法によるKBr超薄膜上に吸着したフタロシアニン単一分子計測(第33回光物性研究会奨励賞)2022

    • 著者名/発表者名
      近藤魁人、木村謙介、今田 裕、片山郁文、武田 淳、金 有洙
    • 学会等名
      第33回光物性研究会
  • [備考] 先端光科学グループ(武田・片山・玉置・草場研)

    • URL

      http://www.ultrafast.ynu.ac.jp/

  • [備考] Kim表面界面科学研究室

    • URL

      https://www.riken.jp/research/labs/chief/surf_interf/

  • [備考] 重川グループ

    • URL

      https://dora.bk.tsukuba.ac.jp/ja/index.html

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公開日: 2023-12-25  

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