【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16K05397 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光誘起状態変化 / 光誘起相転移 / 分子性結晶 / 薄片試料 / 光誘起ダイナミクス / 時間分解分光 / 光機能性物質 / スピンクロスオーバー錯体 / 光学スペクトル / 時間分解分光測定 / 光誘起スピン状態変化 / 分子性固体 / 光機能素子 / スピンクロスオーバー現象 / 分子性導体 / 電荷整列 / 光物性 / 強相関エレクトロニクス

【研究成果の概要】

特に分子性結晶固体の薄片試料を用い、外場を制御した基での光誘起状態変化の様子を調べる事で光機能性物質の探索設計を目指し、メカニズムの解明と共に物性評価方法の確立を試みた。
金属絶縁体相転移を示す分子性導体結晶の電子及び分子内振動スペクトル測定をバルクおよび薄片試料で比較した。両者は定性的に良く一致し、薄片を用いる事で簡便かつ正確な物性評価が可能だとわかった。薄片試料を用いる事で時間分解分光の定量的な解析が容易になりダイナミクスを詳細に報告する事が出来た。
また、励起波長に依存した光誘起状態という新しい光誘起状態変化がスピンクロスオーバー錯体複合試料で起こる事を光学的手法で確認する事に成功した。

【研究の社会的意義】

本研究課題の成果により、分子性結晶固体の薄片試料の物性評価手法が確立し、今後様々な類似の結晶試料に適用していける事が分かった。これまでバルク試料を用いる事でしか物性評価をする事が出来なかったが、今後は透過配置での簡便な分光測定を行う事が出来る事になる為、物性評価の期間短縮かつより高度な測定に挑戦する事が出来るようになると思われる。また、新規な光誘起現象を確認出来た事から、今後はそのメカニズム解明を続ける事で、新規光機能性物質の開発指針の確立に繋がると考える。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16H04000 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強誘電体 / 第二次高調波発生 / フェムト秒分光 / 非線形光学 / 光誘起相転移 / 高速非線形分光 / 強誘電体結晶 / 誘電体物性 / 光物性 / フェムト秒レーザ分光 / 強相関エレクトロニクス

【研究成果の概要】

本研究は、プロトン移動型有機強誘電体の持つ強誘電特性（分極特性）を光で高速制御することを目的とする。強誘電体共結晶の一つであるH66dmbp-Hcaに注目し、530nmのフェムト秒レーザパルスで励起した後の分極状態の変化を、試料から発生する第二次高調波発生（SHG）強度をマッピング観測することにより調べた。その結果、観測する表面は単結晶であるにも関わらず、光照射後にSHG強度が瞬間的に増大する領域と減少する二つの領域が存在すること、およびこの光誘起SHG変化の増減は外部からの電界印加によってスイッチできることが分った。これより、光励起で試料の分極ドメイン壁を制御できていることが示唆された。

【研究の社会的意義】

本研究の結果から、プロトン移動型有機強誘電体から出る第二次高調波発生強度を、光励起（分子内励起）によりサブピコ秒スケールで制御できること、およびその変化の度合いは試料の分極ドメインの状況を敏感に反映すること、が明らかになった。これは、光照射が強誘電体の分極ドメインを実空間で高速に動かしていることを端的に示すものである。更にこれらの結果は、強誘電体の分極反転を外部電場の代わりに光で高速に行える可能性も示しており、本系をメモリなどに応用する場合にその応答速度を高速化できることが期待できるなどの応用への道を拓くものである。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16684010 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 物性実験 / スピネレクトロニクス / 強相関エレクトロニクス / 光物性 / 光電子分光法 / 逆光電子分光法 / 電子状態 / 占有状態 / 非占有状態 / 光誘起相転移 / 金属絶縁体転移

【研究成果の概要】

金属絶縁体転移を示す欠損ペロブスカイトRBaCo_2O_<6-δ>(R=Tb, Nd;δ=0.5, 1.0)、低温で重い電子的挙動を示すペロブスカイトCaCu_3Ru_4O_<12>、特異なスピン軌道秩序を示すスピネルAV_2O_4(A=Li, Zn, Cd)の電子状態を表面敏感な真空紫外線光電子分光およびパルク敏感なX線光電子分光によって研究した。特に、RBaCo_2O_<6-δ>では金属絶縁体転移に伴うe_gバンドの形状変化が観測された。CaCu_3Ru_4O_<12>では、Cuは2価であり局在したCu 3d電子が重い電子的挙動に重要であることを明らかにした。さらに、ワイドギャップ希薄磁性半導体Ti_<1-Σ>Co_xO_2、光誘起金属絶縁体転移を示すペロブスカイトPr_<0.55>(Ca_<1-y>Sr_y)_<0.45>MnO_3とスピネルCuIr_2S_4についても、光照射下においてバルク敏感なX線光電子分光と表面敏感な真空紫外線光電子分光を行い、光誘起の電子状態変化を観測した。バルク敏感な紫外線光電子分光については、Nd : YAGレーザーの第5高調波は大気による吸収を受けないエネルギー領域にあり、かつ、仕事関数を超えて光電子を放出させるのに十分なエネルギーを持つことに注目し、Nd : YAGレーザーの第5高調波によるバルク敏感な紫外線光電子分光装置を完成させて測定を行った。紫外線によるバルク敏感なエネルギー領域での逆光電子分光については、銅酸化物高温超伝導体の測定を行い、非占有状態を観測した。真空紫外線による表面敏感なエネルギー領域での逆光電子分光については、真空紫外線の検出が不十分であり有効なデータを得ることはできなかったが、電子源や光子検出について技術開発を行い、今後の発展の基礎となる成果が得られた。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】28,600千円 (直接経費: 22,000千円、間接経費: 6,600千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16340086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 光物性 / 強相関エレクトロニクス / 光スイッチ / 磁性 / 光誘起相転移 / スイッチング現象 / 絶縁体金属転移 / 有機電荷移動錯体 / 電荷移動吸収 / モット転移

【研究成果の概要】

本研究では、強相関電子系を対象とし、光励起によって伝導性、光物性、磁性が高速に変化する光誘起相転移(スイッチング現象)の開拓とその物理的機構の解明を目的として研究を進めた。主要な成果は以下のとおりである。
○二次元的な電子構造を有するモット絶縁体である有機電荷移動錯体M_2P-F_4TCNQにおいて、超高速の光誘起絶縁体一金属転移を見出した。詳細な過渡反射スペクトルとその時間変化の測定から、光誘起金属状態の寿命は0.4ピコ秒であり極めて速いこと、金属状態は二次元的な性質を有することが明らかとなった。この様な高速の緩和は、強相関二次元系に特有のものであると解釈される。
○一次元モット絶縁体である有機電荷移動錯体BEDTTTF-F_2TCNQ結晶において、超高速の光誘起絶縁体一金属転移を見出した。重要な結果は、非常に弱い強度の励起(分子あたり0.003光子の励起)であっても、金属的挙動が見られたことである。このような弱励起による金属的状態の生成は、強相関一次元系に特有のスピン電荷分離の性質に基づくものであると結論された。
○強相関電子系を有する代表的な金属錯体である一次元ヨウ素架橋白金錯体において、光誘起電荷密度波(CDW)-モットハバード相転移を見出した。この転移の効率が非常に高いこと(一光子あたり約70白金サイト)、および、この系を強励起するとCDW状態から金属状態への転移が生じることを明らかにした。すなわち、この物質では、電荷密度波、モットババード、金属の三相間の相転移が可能であることが実証された。
以上のように、本研究を通して、新規光誘起相転移の開拓に成功するとともに、その機構解明を達成することができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】16,300千円 (直接経費: 16,300千円)