Ｘ線自由電子レーザーを用いた強相関電子のリアルタイム観察

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25610089
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 笹川 崇男 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 准教授 (30332597)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 強相関電子系 / Ｘ線自由電子レーザー / 電荷スピン秩序

研究概要

ナノの世界における超高速現象をストロボ撮影できるＸ線自由電子レーザーを用いて、時間分解共鳴Ｘ線散乱実験を行うことにより、強相関電子系物質における高温超伝導や巨大磁気抵抗などの発現メカニズムのカギを握る「電子の集団運動」をリアルタイム観測に挑戦した。
赤外線集光加熱炉を用いた溶媒移動浮遊帯域（TSFZ）法を駆使して、Ni 平面正方格子上に電荷とスピンの秩序をもつLa2-xSrxNiO4 について、組成を系統的に変化させた試料を、良質で大型な単結晶として育成し、一通りの基礎物性評価を行うことで、続くＸ線自由電子レーザー実験の準備を行った。
フェムト～ピコ秒の時間スケールで変化する電子秩序状態の様子を、Ｘ線自由電子レーザーを用いた時間分解共鳴Ｘ線回折法によって観察した。実験は、スタンフォード大学構内のSLAC 国立加速器研究所・線型加速器コヒーレント光源（LCLS）のSXR ビームラインにおいて行った。
Ti サファイアレーザーの光パルスで励起した電子秩序状態の過渡的変化を、Ni L3 吸収端に調節したＸ線自由電子レーザーによる共鳴Ｘ線回折強度の時間変化として詳細に測定した。これにより、ナノスケールで複雑に相互作用しあう電子集団の超高速ダイナミクスについて、振幅・位相・相関長の時空間での変化と絡み合いを定量的に明らかにすることができた。

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

当初予定のＸ線自由電子レーザーを用いた実験を順調に実施することができ、その成果もインパクトファクターの高い専門誌 Physical Review Letters に掲載することが出来た。また、派生して実験を開始した同一単結晶試料を用いた赤外領域の時間分解分光測定においても、予期していなかった大きな成果が上がり、読者層の多い科学誌 Nature Communications に論文を掲載することが出来た。

今後の研究の推進方策

提案したアプローチによる研究推進は当初計画以上に進展していると自負している。更にデータを蓄積し、異なる手法から得られた結果との多角的な解析と考察を進めることにより、ナノスケールで複雑に相互作用しあう電子集団の超高速ダイナミクスについての知見を深めることに努める。

次年度の研究費の使用計画

本年度は、国際会議を含めて成果発表を行う関連分野の研究集会が近郊に集中したため、当初予定の旅費を大幅に節約することができた。
更に国内外の主要な研究集会における成果公表に努める。

研究成果

• [雑誌論文] Ultrafast Charge Localization in a Stripe-phase Nickelate (2013)
  • 著者名/発表者名: G. Coslovich, B. Huber, W. -S. Lee, Y. -D. Chuang, Y. Zhu, T. Sasagawa, Z. Hussain, H. A. Bechtel, M. C. Martin, Z. -X. Shen, R. W. Schoenlein, and R. A. Kaindl
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 4 ページ: 2643/1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms3643
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional Photonic Change of Charge-density-wave Phase in Two-leg Ladder Cuprate Sr14Cu24O41 (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Fukaya, Y. Okimoto, M. Kunitomo, T. Ishikawa, K. Onda, S. Koshihara, A. Isayama, and T. Sasagawa
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 82 ページ: 083707/1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.083707
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast Real Space Dynamics of Photoexcited State in a Layered Perovskite-type Spin Crossover Oxide La1.5Sr0.5CoO4 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Okimoto, T. Egawa, R. Fukaya, Y. Matsubara, Y. Yamada, N. Yamaya, T. Ishikawa, K. Onda, S. Koshihara, H. Taniguchi, M. Itoh, A. Isayama, and T. Sasagawa
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 82 ページ: 074721/1-8
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.074721
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-time Manifestation of Strongly Coupled Spin and Charge Order Parameters in Stripe-ordered Nickelates via Time-resolved Resonant X-ray Diffraction (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. D. Chuang, W. S. Lee, T. Sasagawa, Z. X. Shen, et al.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 110 ページ: 127404/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.127404
  • 査読あり
• [学会発表] 層状ペロブスカイトCo酸化物における時間分解ラマン分光 (2014)
  • 著者名/発表者名: 深谷亮、沖本洋一、山谷奈央、田中誠一、恩田健、石川忠彦、腰原伸也、諌山晃、笹川崇男、秋光純、堀金和正
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] Photo-induced dynamics of strongly coupled charge and spin order parameters (2013)
  • 著者名/発表者名: W.S. Lee, T. Sasagawa, Z.-X. Shen, Z. Hussain et al.
  • 学会等名: Spectroscopy of Novel Superconductors
  • 発表場所: Berkeley, USA
  • 年月日: 20130624-20130628
• [備考] 東京工業大学応用セラミックス研究所・笹川研究室
  • URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~sasagawa/index.html