研究課題
強相関系物質では、光誘起絶縁体―金属転移をはじめとして高効率・超高速の光誘起相転移現象が見出されており、将来の光スイッチングデバイスへの応用が期待されている。この現象は、学術的にも、光物性や非平衡物理の新しいトピックスとして、近年盛んに研究されている。しかし、この方法では必然的に系の温度上昇が生じ、基底状態への回復に数十ピコ秒の時間を要するため、光スイッチとしての高速性が失われる。この問題を解決するために、申請者はテラヘルツパルスに注目した。テラヘルツパルスは可視光よりも約三桁光子エネルギーが小さいため、温度上昇の効果を抑えることができる。本研究では、まず、有機非線形光学結晶であるDSTMSを利用することによって、最大で3 MV/cmを超える電場強度を持つテラヘルツパルスを発生させることに成功した。次に、発生させたテラヘルツパルスを一次元モット絶縁体であるET-F2TCNQに照射した後の反射率スペクトル変化を測定した。テラヘルツパルスの電場強度が小さい場合（0.3 MV/cm）、先行研究ですでに報告した通り、三次の非線形光学効果に起因する反射率変化のみが現れた。一方、2.8 MV/cmまで電場強度を増強した場合は、モットギャップの反射率が減少し、低エネルギー側で反射率が増大するという結果が得られた。これは、金属状態を表すドルーデ応答の特徴であり、モット絶縁体－金属転移が生じていることを意味する。また、金属化がテラヘルツ電場強度に対して閾値的に生じることを明らかにした。これは、テラヘルツパルスによるモット絶縁体－金属転移が、強電場による量子トンネル効果によるキャリア生成に起因したものであることを示唆する結果である。
1: 当初の計画以上に進展している
3 MV/cmを超える高強度のテラヘルツパルスを発生させることに成功しただけでなく、それを利用したポンプ－プローブ分光測定により、一次元モット絶縁体において、量子トンネル効果によるキャリア生成に起因した絶縁体－金属転移を実現した。そのため、当初の計画以上に進展していると言える。
まず、これまでに構築したテラヘルツポンプ－光プローブ分光系にクライオスタットを導入することによって、4 Kから300 Kまでの温度におけるテラヘルツパルス照射後の反射率スペクトル変化の測定を可能にする。窓材によるテラヘルツパルスの電場強度の減少を抑えるため、窓材にはダイアモンドを用いる。これにより、低温においても2 MV/cmを超える電場強度を持つテラヘルツパルスを利用できるようにする。次に、電子と正孔がクーロン相互作用により励起子を形成することによって絶縁体化した励起子絶縁体を対象として、テラヘルツポンプー光プローブ分光を行う。励起子絶縁体であるTa2NiSe5において報告されている光誘起絶縁体－金属転移は、光キャリアによるクーロン相互作用の遮蔽効果に起因する。本研究では、テラヘルツパルスによる量子トンネル効果によってキャリアを生成させ、遮蔽効果を生じさせることによって絶縁体－金属転移を実現する。
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Physical Review B
巻: 103 ページ: 045124:1～15
10.1103/PhysRevB.103.045124
Journal of the Physical Society of Japan
巻: 90 ページ: 033703～033703
10.7566/JPSJ.90.033703
http://pete.k.u-tokyo.ac.jp/index.html
