高強度単一サイクル赤外光による強相関電子系の高次高調波発生

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K03800
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 川上 洋平 東北大学, 理学研究科, 准教授 (60731172)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 高次高調波発生 / 強相関電子系 / 超伝導体 / 非線形分光 / 可視フーリエ分光 / 時間分解分光 / 単一サイクル赤外光 / キャリアエンベロープ位相

研究実績の概要

光キャリア－エンベロープ位相（CEP）を精密に制御した高強度単一サイクル近赤外光（光電磁場の振動周期～6フェムト秒）を用いて強相関電子系の高次高調波発生を調べた。
1) 有機超伝導体κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Brにおいて、対称心を有するにもかかわらず第二高調波が発生することを見出した。高周波の光強電場が駆動する極短時間の無散乱電流が第二高調波発生（SHG）の起源と考えられること、SHGが超伝導ゆらぎによって増強されることなどが明らかとなった。高周波光強電場を用いたペタヘルツ超伝導デバイスへの応用が期待できる。
2) 超広帯域スペクトルの精密測定技術を開発した。複屈折結晶を利用した可視～紫外フーリエ分光と回折格子型分光器を組み合わせることで、ダイナミックレンジの拡大、波長分解能の向上、超広帯域波長フィルタリングなどの要素技術を確立し、高調波スペクトル測定の精度を飛躍的に向上することに成功した。この技術は高次高調波測定に限らず可視・赤外・ラマン分光などの広範なスペクトル測定に適用可能であり、従来の分光技術の精度を大きく改善できる。
3) 開発した精密測定技術を用いて銅酸化物高温超伝導体YBa2Cu3O7-δの第三および第五高調波発生を観測した。第五高調波が、この物質の特徴であるCuO2面とCuO鎖におけるキャリアのフェムト～アト秒ダイナミクスを反映する可能性が見出された。今後のさらに発展的な研究によって、超伝導状態における微視的なキャリアダイナミクスの解明も期待できる。
4) 電子強誘電体α-(ET)2I3を対象に光励起－SHGプローブ実験を行った。電荷秩序の光融解に伴って、第二高調波が500フェムト秒以内にほぼ完全に消失することが明らかとなった。電子強誘電体を利用したフェムト秒非線形光スイッチングへの応用が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] CNRS/レンヌ第一大学/ナント大学(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS/レンヌ第一大学/ナント大学
• [雑誌論文] Light-induced magnetization driven by interorbital charge motion in the spin-orbit assisted Mott insulator α-RuCl3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Amano T., Kawakami Y., Itoh H., Konno K., Hasegawa Y., Aoyama T., Imai Y., Ohgushi K., Takeuchi Y., Wakabayashi Y., Goto K., Nakamura Y., Kishida H., Yonemitsu K., Iwai S.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: L032032-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L032032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 有機超伝導体におけるペタヘルツ電子ダイナミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩井 伸一郎、川上 洋平、伊藤 弘毅、米満 賢治
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 77 ページ: 304-309
  • DOI: 10.11316/butsuri.77.5_304
• [雑誌論文] 有機超伝導体におけるペタヘルツ電界誘起光電流操作 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩井伸一郎、川上洋平、伊藤弘毅、米満賢治
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 50 ページ: 313-317
• [雑誌論文] α-RuCl3における光磁気効果と超高速電荷ダイナミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉、川上洋平、伊藤弘毅、米満賢治、岩井伸一郎
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 57 ページ: 667-679
• [学会発表] Ultrafast SHG spectroscopy of charge ordering ferroelectric α-(ET)2I3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yohei Kawakami
  • 学会等名: French-Japan International Research Lab. "Dynamical Control of Materials" Kick-off meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast magnetization driven by spiral current in Kitaev spin liquid α-RuCl3 (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Amano, Y. Kawakami, H. Itoh, T. Aoyama, Y. Imai, Y. Nakamura, H. Kishida, K. Yonemitsu and S. Iwai
  • 学会等名: International Conference on Ultrafast Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] スピン軌道モット絶縁体α-RuCl3における超高速磁気光学応答II (2022)
  • 著者名/発表者名: 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 今野克哉, 青山拓也, 今井良宗, 大串研也, 若林裕助, 後藤貫太, 中村優斗, 岸田英夫, 米満賢治, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 5d電子系ディラック半金属SrIrO3薄膜における超高速光キャリアダイナミクスII (2022)
  • 著者名/発表者名: 昆彬之, 加藤遼, 赤嶺勇人, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 松野丈夫, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 高温超伝導体YBa2Cu3Oyの超高速準粒子ダイナミクスIII (2022)
  • 著者名/発表者名: 加藤遼, 昆彬之, 大橋拓純, 天野辰哉, 川上洋平, 伊藤弘毅, 中村優斗, 岸田英夫, 佐々木孝彦, 西嵜照和, 大串研也, 岩井伸一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [備考] 光による磁気スイッチの新たな原理を発見 超低消費電力・超高速光磁気メモリなどの実現に期待
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/08/press20220824-02-light.html