時間分解測定法を用いた電荷移動型金属有機構造体試料の光励起による相制御の検討

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03427
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 石川 忠彦 東京工業大学, 理学院, 助教 (70313327)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 光誘起ダイナミクス / 光誘起電荷移動 / 金属有機構造体 / 電荷移動相転移 / 光誘起構造変化 / 低次元系

Outline of Annual Research Achievements

電荷移動型金属有機構造体（CT-MOF）を測定対象として、光励起による1次元磁石の生成消滅のような磁性コントロールを究極な目標とした光誘起ダイナミクスの研究に取り組む事を本課題の研究課題の方針としている。昨年度（2021年度）は、鉄原子とCl2An分子から成るCT-MOFについて、分子内振動領域で、当初予測しなかった光励起状態特有の素励起の出現を発見し、これを受けて本年度（2022年度）前半は、この新たな素励起の定量的な解析を試みた。定常状態のスペクトルを基にしたシミュレーションとの比較から、Raman散乱で観測される全対称Agモードが、何らかの対称性の破れによって赤外活性となり観測されたと推測した。
一方で、1 eV付近に存在する電荷移動励起の吸収スペクトル形状をより詳細に議論をするために、光励起直後における過渡状態のスペクトル測定の波長域を拡張したところ、これまで発見されていなかった新しい吸収ピークの出現を観測することに成功した。2022年度後半は、こちらの吸収ピークの解析と、その解釈の為の量子化学計算及び簡単なモデル計算に費やした。この吸収ピークは定常状態のクラスターを基にした量子化学計算では出現しなかったものであり、光誘起状態特有のスペクトル構造で有る事が明らかとなった。現在のところこの吸収ピークは、上で述べたRaman活性モードを赤外活性化するような対称性の変化に起因するものと考えている。
CT-MOFのような試料は、非常に構造的には安定な試料であり、単なる温度変化等では結晶構造の変化を伴うような相転移は起こらない為、上記のような対称性の変化を光励起で生み出す事が出来た事は特筆すべき事である。外場に容易に応答するCT-MOFが光励起下で実現出来た、と考えており、新たな光応答物質群の発見に相当する成果が得られたと言える。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前年度（2021年度）までに、対象物質であるCT-MOFの定常分光及び、時間分解分光を精力的におこない、中赤外時間分解分光測定系の立ち上げを行っており、年度初めの計画としては、時間分解分光の温度変化測定から、新しく発見された中赤外域の素励起の正体を明らかにすることを目標としていた。本年度（2022年度）は、上記のように、中赤外時間分解分光測定系を用いて測定した新しい素励起のスペクトル解析や、電荷遷移領域のスペクトル測定および解析について、大幅な進展が見られた。特に電荷移動遷移領域での新しい吸収ピークの出現が発見されたことにより、こちらの新たな電子遷移の解析から、中赤外領域の素励起とも共通のメカニズムで、観測された現象が説明出来るのではないか？という新たな着想に気づき、当初計画の温度変化測定から方針を変更して、スペクトル解析や電荷移動遷移領域の時間分解分光測定の詳細な測定を主にして研究を進めることが出来た。この成果を基にして、国内国際学会における成果発表を数回行い、おおむね好評な評価を得た。更に投稿論文の執筆を行い、現時点で投稿間近となっている。
更に、東北大学岩井研究室との共同研究を開始する事になり、6 fsの超短時間幅を持つレーザー光源を使用した超高速ダイナミクスの測定にも成功し、これは現在データ解析を進めているところである。
これらの事から、本研究は順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

本年度の成果として、対象物質であるCT-MOF試料の電荷移動遷移光励起に伴う光誘起ダイナミクスの解明にかなりの程度で成功してきたと考えている。特に、光励起直後に現れる光誘起状態特有の吸収ピークが複数観測されたこと、それらが、分子周りの対称性の変化に起因して起こると考えると、良く説明されることが分かったことは、CT-MOFが新たな光機能性物質として考える事の出来る非常にユニークな物質で有る事を示している。この対称性の変化は、結晶構造の変化によって引き起こされているはずであり、本年度は、この点について精力的な研究を行いたい。
分子内振動領域の時間分解分光の測定結果は、新しい素励起の存在を示唆していた事を上で述べたが、それだけでは無く、通常の意味での分子内振動モードに起因するスペクトル構造変化も多数観測されている。実はその変化の様子は温度変化による相転移で期待されている変化とは異なっている事は明らかなのだが、いまだその解釈に至っていない。そこで、温度変化による相転移の影響なども含めてこの領域の時間分解測定を継続して行う事で、光誘起構造変形の詳細について明らかにして、その発生メカニズムについて迫りたい。
また、時間分解電子線回折の測定についても引き続き検討する予定である。

Causes of Carryover

本課題の遂行は、順調に進んでいるが、本年度も新型コロナウイルスの感染状況を鑑み、当初予定していた国際学会参加等の出張予定をキャンセルすることになった。代わりに国内の研究会参加を増やしたものの、旅費の申請額が当初予定に比較して大幅に少なくなってしまった。
次年度は、研究発表を積極化し、国際学会での発表も再開したい。
また、購入希望した物品の供給の滞り、また価格の高騰により、次年度での購入とする事が妥当であると判断した物品が多数あり、次年度での使用へと計画を変更した。

Research Products

• [Journal Article] Nonlinear Optical Properties in an Epitaxial YbFe2O4 Film Probed by Second Harmonic and Terahertz Generation (2023)
  • Author(s): Yu Hongwu、Okimoto Yoichi、Morita Atsuya、Shimanuki Shuhei、Takubo Kou、Ishikawa Tadahiko、Koshihara Shin-ya、Minakami Ryusei、Itoh Hirotake、Iwai Shinichiro、Ikeda Naoshi、Sakagami Takumi、Nozaki Mayu、Fujii Tatsuo
  • Journal Title: Materials Volume: 16 Pages: 1989～1989
  • DOI: 10.3390/ma16051989
• [Journal Article] Orbital Degree of Freedom in Conducting Platinum?Dithiolene Complex Salts (2023)
  • Author(s): Yamamoto Takashi、Hiraga Daiki、Arashi Ikumi、Takasugi Koh、Naito Toshio、Ishikawa Tadahiko、Okimoto Yoichi、Koshihara Shin-ya、Nomura Mitsushiro、Kato Reizo
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Pages: 24701
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.024701
• [Journal Article] Generation of sub-100?fs electron pulses for time-resolved electron diffraction using a direct synchronization method (2022)
  • Author(s): Takubo Kou、Banu Samiran、Jin Sichen、Kaneko Misaki、Yajima Wataru、Kuwahara Makoto、Hayashi Yasuhiko、Ishikawa Tadahiko、Okimoto Yoichi、Hada Masaki、Koshihara Shinya
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 053005～053005
  • DOI: 10.1063/5.0086008
• [Journal Article] Ultrafast opto-protonics in a hydrogen-bonded π-molecular ferroelectric crystal (2022)
  • Author(s): Okimoto Yoichi、Xia Peiyu、Itatani Jiro、Matsushima Haruka、Ishikawa Tadahiko、Koshihara Shin-ya、Horiuchi Sachio
  • Journal Title: APL Materials Volume: 10 Pages: 090702～090702
  • DOI: 10.1063/5.0097571
• [Presentation] Unexpected photoinduced dynamics in charge-transfer metal-organic frameworks, (NPr4)2[Fe2(Cl2An)3] (2023)
  • Author(s): T. Ishikawa, S. Banu, K. Takubo, Y. Okimoto, S. Koshihara, W. Kosaka, H. Miyasaka, T. Amano, Y. Kawakami, S. Iwai, K. Iwano
  • Organizer: IRL DYNACOM "Dynamical Control of Materials", Kick-off meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photo-induced ultrafast structural dynamics in charge-transfer type MOFs material (2023)
  • Author(s): S. Banu, T. Ishikawa, K. Takubo, Y. Okimoto, S. Koshihara, W. Kosaka, H. Miyasaka, T. Amano, Y. Kawakami, S. Iwai, K. Iwano
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 電子強誘電酸化物YbFe2O4薄膜のテラヘルツ波発生 (2023)
  • Author(s): 森田敦也、于洪武、島貫周平、田久保耕、石川忠彦、腰原伸也、水上龍星、伊藤弘毅、岩井伸一郎、阪上拓巳、野崎真由、藤井達生、池田直、沖本洋一
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] プロトン移動型有機強誘電体Phz-H2ca結晶の時間分解反射・SHG測定 (2023)
  • Author(s): 杉澤彰宏, 馬ノ段月果, 石川忠彦, 腰原伸也, 堀内佐智雄, 沖本洋一
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] フェムト秒電子線回折によるBiFeO3/SrTiO3(111)薄膜の光誘起構造ダイナミクス測定 (2023)
  • Author(s): 田久保耕, 上野俊輔, 金子水咲, 于洪武, 石川忠彦, 沖本洋一, 腰原伸也, 小野淳, 西森亮太, 矢嶋渉, 羽田真毅, 桑原真人, 浅香透, 小澤慶太, 伊藤拓真, 重松圭, 東正樹
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 電子強誘電体YbFe2O4薄膜の電場印加による分極反転 (2023)
  • Author(s): 島貫 周平, 于 洪武, 森田 敦也, 田久保 耕, 石川 忠彦, 腰原 伸也, 阪上 拓巳, 野崎 真由, 藤井 達生, 池田 直, 沖本 洋一
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 非線形光学的手法からみた電子強誘電体LuFe2O4の分極反転 (2023)
  • Author(s): 于 洪武, 島貫 周平, 田久保 耕, 石川 忠彦, 腰原 伸也, 井上 直希, 西田 銀一, 深田 幸正, 池田 直, 沖本 洋一
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] The unexpected photoinduced structural change dynamics in charge-transfer metal-organic frameworks, (NPr4)2[Fe2(Cl2An)3] (2022)
  • Author(s): Tadahiko Ishikawa, Samiran Banu, Kou Takubo, Yoichi Okimoto, Shinya Koshihara, Kaoru Iwano, Wataru Kosaka, and Hitoshi Miyasaka
  • Organizer: The 73rd Yamada Conference & Institute for Materials Research International Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unexpected photoinduced dynamics in charge transfer metal organic frameworks, (NPr4)2[Fe2(Cl2An)3] (2022)
  • Author(s): Samiran Banu, T. Ishikawa, K. Takubo , M. Kato, Y . Okimoto , S. Koshihara, N. Eguchi , W. Kosaka , H . Miyasaka
  • Organizer: The 14th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast Photo-Response of MOF Based Quantum Magnet (2022)
  • Author(s): S. Koshihara, T. Ishikawa, S. Banu, M. Kato, Y. Okimoto, K. Takubo, H. Miyasaka, N. Eguchi, W. Kosaka, and M. Hada
  • Organizer: The 14th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The photo-induced dynamics of (NPr4)2[Fe2(Cl2An)3] suggest the appearance of a hidden state (2022)
  • Author(s): S. Banu, M. Kato, K. Takubo, T. Ishikawa, Y. Okimoto, S. Koshihara, N. Eguchi, W. Kosaka, H. Miyasaka
  • Organizer: From optical to THz control of materials, Faraday Discussion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The structure of the photoinduced and X-ray induced state in spin-crossover hybrid system (2022)
  • Author(s): T. Ishikawa, S. Nakano, R. Takahashi, K. Takubo, Y. Okimoto, S. Koshihara, A. Miyawaki, K. Matsumoto, K. Takahashi, T. Yokoyama, K. Ichiyanagi, R. Fukaya, S. Nozawa, A. Sato-Tomita
  • Organizer: From optical to THz control of materials, Faraday Discussion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast Nonlinear Spectroscopy in Electronic ferroelectric LuFe2O4 (2022)
  • Author(s): Hongwu Yu、K. Takubo、T. Ishikawa、S. Koshihara、M.Fukada、G. Nishida、N. Ikeda、K. Fujihara、Y.Okimoto
  • Organizer: From optical to THz control of materials, Faraday Discussion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電子強誘電体LuFe2O4結晶の時間分解SHG測定 (2022)
  • Author(s): 于洪武、石川忠彦、田久保耕、腰原伸也、深田幸正、井上直希、西田銀一、池田直、藤原孝将、沖本洋一
  • Organizer: 第33回光物性研究会
• [Presentation] スピンクロスオーバー錯体複合結晶における 超高速光誘起構造変化ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 高橋良弥, 中野真之介, Samiran Banu, 石川忠彦, 田久保耕, 沖本洋一, 腰原伸也, 宮脇敦大, 高橋一志, 羽田真毅 , Yifeng Jiang, Stuart Hayes, Lai Chung Liu, R. J. Dwayne Miller
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 電荷移動型金属有機構造体(NPr4)2[Fe2(Cl2An)3] における特異な光誘起状態 (2022)
  • Author(s): 石川忠彦, Samiran Banu, 田久保耕, 沖本洋一, 腰原伸也, 岩野薫, 高坂亘, 宮坂等
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 第二次高調波から見た YbFe2O4 薄膜の電子強誘電性 (2022)
  • Author(s): 于洪武，田久保耕，石川忠彦，腰原伸也，阪上拓巳，大田怜佳，藤井達生，池田直，沖本洋一
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] BiFeO3/SrTiO3(111) 薄膜のポンププローブ電子線回折測定 (2022)
  • Author(s): 田久保耕，金子水咲，于洪武，石川忠彦，沖本洋一，腰原伸也，矢嶋渉，羽田真毅 ，桑原真人，小澤慶太，伊藤拓真，重松圭 ，東正樹
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] スピン偏極したフェムト秒パルス電子線回折装置の開発 (2022)
  • Author(s): 金子水咲，Samiran Banu，田久保耕，矢嶋渉，羽田真毅，林靖彦，桑原真人，石川忠彦，沖本洋一，腰原伸也
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会