物質構造科学の新展開 : フェムト秒時間分解原子イメージング

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24000006
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 谷村 克己 大阪大学, 産業科学研究所, 招へい教授
• 研究期間 (年度): 2013 – 2017
• キーワード: 光物性 / フェムト秒時間分解 / 時間分解電子回析 / 時間分解電子顕微鏡 / 光誘起相転移 / 超高速キャリア緩和

研究実績の概要

本研究は、物質機能の根源的理解の基礎を提供する物質構造決定を、超高速で変化する非平衡過程に対して達成する為、フェムト秒の時間分解能を有する時間分解原子イメージング手法を開発し、それを駆使した固体の超高速構造変化・相転移現象の研究を推進して、物質構造科学研究の新展開を図る事を目指している。研究最終年度に当たる平成28年度は、以下の研究を推進した。
1. フェムト秒時間分解原子イメージング装置の開発研究
本研究のフェムト秒時間分解電子顕微鏡開発の基本方針である、①現有のMeV時間分解電子回折装置の原子イメージング測定装置への転生、②原子分解能を持つ電子顕微鏡にフェムト秒時間分解能を付与し時間分解原子イメージングを実現、に基づく研究を推進した。①では、発生させる電子線パルスのエネルギーと強度の安定化を極限的に推し進め、試作した時間分解電子顕微鏡装置の実証機を用いてシングルショットでの空間分解能50nmのイメージ観察を達成した。②に対しては、時間分解能600fs、空間分解能10Åの条件下で、TaS2結晶の光励起に伴う電荷密度波の変化に対応する超格子構造変化の時間分解イメージング研究を展開し、光励起によって超格子構造が部分的に崩壊して異なる励起密度状態を持つドメインに分解する過程を、初めて実験的に観測した。
2. 凝縮物質系の超高速構造動力学の研究
超高速フェムト秒時間分解電子回折測定、超高速分光測定、時間分解X線回折の結果を総合的に結合させて相変化記憶材料GeSbTeの光誘起構造変化過程の研究を行い、光励起による結晶相からアモルファス相への転移機構を解明した。更に、超高速構造動力学を駆動する励起電子系の超高速緩和過程をフェムト秒時間分解2光子光電子分光を用いて系統的に研究し、運動量空間における電子分布の時間分解イメージングを獲得すると共に、光と固体との相互作用で中心的な役割を果たす励起子の波動関数を実験的に決定する事に、初めて成功した。

研究成果

• [国際共同研究] University College London(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University College London
• [国際共同研究] Ecole Polytechnique(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Ecole Polytechnique
• [国際共同研究] Universitat Erlangen-Nurnberg(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Universitat Erlangen-Nurnberg
• [国際共同研究] Pacific Northwest National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Pacific Northwest National Laboratory
• [雑誌論文] Ultrafast dynamics in photoexcited valence-band states of Si studied by time- and angle-resolved photoemission spectroscopy of bulk direct transitions (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kanasaki, H. Tanimura, K. Tanimura, P. Ries, W. Heckel, K. Biedermann, and T. Fauster
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 97 ページ: 035201-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.035201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Energy relaxation mechanism of hot-electron ensembles in GaAs : Theoretical and experimentalstudy of its temperature dependence (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Sjakste, N. Vast, G. Barbarino, M. Calandra, F. Mauri, J. Kanasaki, H. Tanimura, and K. Tanimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 97 ページ: 064302-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.064302
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoinduced discommensuration of the commensurate charge-density wave phase in 1T-TaS2 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Tanimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.245115
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real Time Quantum Dynamics of Spontaneous Translational Symmetry Breakage in the Early Stage of Photo-Induced Structural Phase Transitions (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nasu
  • 雑誌名: Appl. Sci. 巻: 8 ページ: 332-1-8
  • DOI: 10.3390/app8030332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct determination of exciton wavefunction amplitudes by the momentum-resolved photo-electron emission experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Ohnishi, N. Tomita, and K. Nasu
  • 雑誌名: International Journal of Modern Physics B 巻: 32 ページ: 1850094-1-13
  • DOI: 10.1142/S0217979218500947
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent progress in experimental methodology in the study of light-matter interaction with high spatiotemporal resolution (2016)
  • 著者名/発表者名: Katsumi Tanimura
  • 雑誌名: Japanese Journal of Optics 巻: 45 ページ: 408-416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Initial Atomic Motion Immediately Following Femtosecond-Laser Excitation in Phase-Change Materials (2016)
  • 著者名/発表者名: E. Matsubara, S. Okada, T. Ichitsubo, T. Kawaguchi, A. Hirata, P. F. Guan, K. Tokuda, K. Tanimura, T. Matsunaga, M. W. Chen, and N. Yamada
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 117 ページ: 135501-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.135501
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光誘起構造変化初期における非断熱核形成2段階ダイナミクス (2016)
  • 著者名/発表者名: 石田邦夫、那須奎一郎
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 71 ページ: 474-479
  • 査読あり
• [雑誌論文] Femtosecond Pulse Radiolysis (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kondoh, J. Yang, K. Kan, M. Gohdo, H. Shibata, Y. Yoshida
  • 雑誌名: Electron. Comm. Jpn. 巻: 99 ページ: 25-31
  • DOI: 10.1002/ecj.11787
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation of Terahertz Waves Using Ultrashort Electron Beams from a Photocathode Radio-Frequency Gun Linac (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kan, J. Yang, A. Ogata, T. Kondoh, M. Gohdo, H. Shibata, Y. Yoshida
  • 雑誌名: Electron. Comm. Jpn. 巻: 99 ページ: 22-31
  • DOI: 10.1002/ecj.11767
  • 査読あり
• [雑誌論文] Examination of the formation process of pre-solvated and solvated electron in n-alcohol using femtosecond pulse radiolysis (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Toigawa, M. Gohdo, K. Norizawa, T. Kondoh, K. Kan, J. Yang, Y. Yoshida
  • 雑誌名: Radiat. Phys. Chem. 巻: 123 ページ: 73-78
  • DOI: 10.1016/j.radphyschem.2016.02.022
  • 査読あり
• [学会発表] Photocathode RF gun based ultrafast electron diffraction and imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Yang
  • 学会等名: The 8th Asian Forum for Accelerator and Detectors(AFAD2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast Electron Diffraction and Microscopy using a femtosecond-pulse electron beam (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Yang
  • 学会等名: IX International Workshop on Advanced Generation of THz and Compton X-rays using compact electron accelerator
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-shot electron diffraction using relativistic-energy electron pulse (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Asakawa, J. Yang
  • 学会等名: 11th Asia-Pascific Microscopy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast Electron Microscopy using a 100-femtosecond Relativistic-Energy Electron Beam (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Yang
  • 学会等名: 7th International Particle Accelerator Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast Electron Microscopy using a relativistic-energy femtosecond electron beam (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Yang
  • 学会等名: Optics & Photonics International Congress(OPIC' 2016)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A Relativistic-energy Femtosecond-pulse Electron Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Yang, Y. Yoshida, K. Tnimura
  • 学会等名: 11th Asia-Pascific Microscopy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Time-domain Measurement of Electric Field Emitted from Electron Beam Using Photoconductive Antenna (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kan, J. Yang, T. Kondoh, M. Gohdo, I. Nozawa, Y. Yoshida
  • 学会等名: EMN Meeting on Terahertz 2016
  • 国際学会
• [学会発表] Femtosecond Pulse Radiolysis Study on Decomposition Processes of Alkanes (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoshida, S. Nishii, T. Kondoh, M. Gohdo, K. Kan, J. Yang
  • 学会等名: RadTech Asia2016
  • 国際学会
• [学会発表] Pulse Radiolysis Study of Reaction Kinetics on Radiation Induced Reaction of Polystyrene (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Gohdo, T. Kondoh, K. Kan, J. Yang, S. Tagawa, Y. Yoshida
  • 学会等名: RadTech Asia2016
  • 国際学会
• [学会発表] Frequency and Time Domain Measurement of Coherent Transition Radiation (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kan, M. Gohdo, T. Kondoh, I. Nozawa, J. Yang, Y. Yoshida
  • 学会等名: 7th International Particle Accelerator Conference(IPAC2016)
  • 国際学会
• [備考]
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aem/Projects.html