【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】17H06601 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / テラヘルツ / エデルシュタイン効果 / 光物性 / 物性実験

【研究成果の概要】

本研究課題では、テラヘルツ光を利用することで、高速・高効率のスピン流生成の新原理構築を目指した。テラヘルツ領域は伝導電子のドルーデ応答や局在スピンの磁気共鳴などの多彩な応答が存在する上に、光学実験の特長を活かすことで超高速応答やスピン偏極方向などの詳細な知見が得られることが期待できるためである。本研究期間においては、高強度テラヘルツ光照射機構の立ち上げやテラヘルツ光誘起の超高速スピン生成のための予備実験として磁気カー効果を用いることで電流誘起磁化の観測を様々な物質において観測した。これによって、今後これらを組み合わせることでピコ秒程度のスピン生成の実現の土台が整ったといえる。

【研究の社会的意義】

スピン制御はメモリデバイスの応用などの観点から非常に重要な意義があり、近年の物性物理における最も大きなテーマの１つとして盛んに研究されている。実際にこれまで、電気・熱・光など様々な原理によるスピン制御方法が実証されてきた。本研究では、その新たな手法として、テラヘルツ光により誘起される伝導電子の極限的に高速なコヒーレントダイナミクスを利用することで、超高速・高効率なスピン生成の新原理実証を目指した。本研究期間では、電流によるスピン偏極の観測や高強度テラヘルツ光の測定系の構築などを達成することができた。これらは完全には目標を達成できていないものの、最終目標に向けて着実に歩を進めることができた。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2017-08-25 - 2019-03-31

【配分額】2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K20997 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共鳴軟X線散乱 / 電子構造 / 光誘起相転移 / 強相関電子系 / 遷移金属化合物の電子構造 / 光誘起相転移ダイナミクス / 遷移金属化合物 / 強相関電子 / X線磁気円偏光二色性 / 強相関系 / 光物性 / 物性実験 / X線 / 磁性

【研究成果の概要】

共鳴軟X線散乱を用いて遷移金属カルコゲナイドの示す相転移と超伝導に関する電子構造研究を行った。Ir1-xPtxTe2の研究では低温での電荷秩序の周期が5倍、8倍及び6倍と様々に変化することを見出した。またAFe2Se3の研究では、CsFe2Se3においては磁気秩序による散乱のみが観察されるが、超伝導に近いBaFe2S3においては、磁気秩序と軌道秩序が共存するが、散乱信号はエネルギーと偏光の両面で分離できることを明らかにした。さらにSPring-8 BL-07LSUにおいて、国内初の時間分解共鳴軟X線散乱/X線磁気二色性測定装置システムが完成し、CsFe2Se3等の光誘起相転移の測定に成功した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16K13829 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光電子分光 / 超伝導 / レーザー / 非平衡物性 / 非平衡物理 / 時間分解光電子分光 / 高温超伝導体 / 物性実験 / 光物性

【研究成果の概要】

銅酸化物や鉄系超伝導体では、キャリア量によって、純粋な超伝導状態から、超伝導が擬ギャップ状態や電荷・スピン密度波と混在する特殊な状態まで実現するため、自発的対称性の破れに伴う励起モードを研究する格好の舞台を提供してくれる。我々は波数分解したスペクトルが得られる時間分解ARPESによる電子系ダイナミクスを研究した。超伝導とは無関係に長時間の緩和成分が観察され得ることを示し、「遅い緩和＝超伝導の再構成」の構図そのものを再検討する必要性を見出した。また、pump光の強度によって緩和時間が大きく変化することを見出し、これまでの実験結果の食い違いを説明した。

【研究の社会的意義】

液体窒素温度を超える高い臨界温度を示す超伝導体が約30年前銅酸化物において発見れて以来、銅酸化物高温超伝導体は物性研究の対象として長らく主役を担ってきた。それにも関わらず、高い超伝導臨界温度が生じる機構に関しては未だ統一した見解が得られていない。 超伝導は、伝導を支配する電子が多数の対を組むことで安定化し、背景にある格子振動や不純物による散乱を受けることなく電流を流す特異な電子状態である。超伝導の発現機構を解明する上で、電子同士を対として結びつける”のり”を同定することが重要であり、Bi2212の時間分解ARPES研究で見出した電子系ダイナミクスの理解により応用研究への波及が期待される。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】24840012 (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 / 光物性 / 磁性体 / テラヘルツ / マルチフェロイック / エレクトロマグノン / 電気磁気光学効果 / 磁気共鳴

【研究成果の概要】

本課題ではマルチフェロイックと呼ばれる磁性と誘電性が強く結合した物質に置いて現れる新しいスピン波であるエレクトロマグノンに関する研究を行った。サイクロイド型磁気秩序を持つ磁性体においてエレクトロマグノンとその電気磁気光学効果を磁場で制御することで、２０倍以上の強度の増強に成功した。さらに、スクリュー型磁気秩序に由来したエレクトロマグノンの磁気カイラル効果の実現にも成功し、テラヘルツ帯での巨大な方向２色性を観測した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2012-08-31 - 2014-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】20224006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物件 / 物性実験 / 量子エレクトロニクス / 低温物性 / 励起子

【研究成果の概要】

本研究の目的は半導体の電子正孔系および励起子系を対象に、精緻なレーザー分光手法を駆使した実験と、電子相関を取り入れた理論研究を密接に連携させ、量子多体系としての物質相とその集団励起および量子秩序形成ダイナミクスについて実験(東大)と理論(阪大)を連携させて研究を進めることであった。以下に研究項目別の成果をまとめる。
1.準熱平衡励起子系の相図解明:(東大)ヘリウム3冷凍機を用いて、励起光照射下においても0.3K台の低温を確保した上で、亜酸化銅結晶におけるパラ励起子を3次元歪トラップに蓄積することで量子多体系の性質が顕在化する励起子BEC相境界近傍まで到達した。トラップからの微弱発光の高感度検出による発光イメージ法を確立し、量子カスケードレーザーを用いたCWライマン分光法による定量評価法を開発した。(阪大)準熱平衡相図を決定するために、高密度弱結合領域から低密度強結合領域までを統一的に記述できる動的平均場理論を開発した。連続模型による解析手法と長距離クーロン相互作用の取り入れ方を検討し、隣接サイト間相互作用を扱う手法を開発し数値計算を行った。
2.量子縮退しか励起子系の集団励起とそのコヒーレンスの検出:(東大)亜酸化銅パラ励起子のAuger係数の値とその温度依存性を決定し、低温で非弾性衝突が発散する量子力学的特徴を示すことを見出した。(阪大):励起子間有効相互作用のボゾン化理論を再考して、励起子気体相での光学応答の自己無撞着理論を構築し、光学応答の数値計算を進めた。半導体ブロッホ方程式理論との違いを解明した。
3.電子正孔系の量子秩序形成の動的理論(阪大):低次元系での多励起子状態における励起子間Auger散乱断面積を数値的に評価した。低温での「量子散乱領域」の理論研究を開始した。東大グループの実験結果との比較を行った。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2008

【配分額】38,480千円 (直接経費: 29,600千円、間接経費: 8,880千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】19685001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分光 / 低温 / タンパク質 / 単一分子分光 / 赤外 / 中赤外 / アミドI / 単一分子 / 一分子計測(SMI) / 化学物理 / 光物性 / 物性実験 / 生物体分子 / 一分子計測(SDM) / 生体分子

【研究成果の概要】

本研究では、これまで誰も成功していなかったタンパク質の中赤外吸収スペクトルの1分子観測に成功した。これまで、中赤外吸収を測定するには、感度が良いとされる顕微赤外分光装置でも、100万個のタンパク質が必要であり、1分子の観測例は無かった。そこで、我々は従来法を改良するのではなく、以下に示す全く新しい光学課程を用いて、これを1分子観測を実現した。数ケルビンでも、タンパク質を結合させた色素の蛍光測定し続けていると、無蛍光状態になる。この時、タンパク質に共鳴する赤外光を入射すると、色素の状態が無蛍光状態から蛍光状態に変化することを発見した。我々はこの光学現象を用いて、タンパク質の赤外吸収スペクトルの1分子観測に成功した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2007 - 2011

【配分額】24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】18654051 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / 物性実験 / 分子性固体 / 光誘起相転移

【研究成果の概要】

本研究では、申請者らの研究によって光励起状態での構造変化が大きいことが予測されている電子-格子強結合系物質や有機錯体結晶を中心に、光励起によって弾性特性等の力学特性に変化を示す物質探索を行うことを目的としている。またこの目的達成の為に、申請者らが開発し実用レベルに到達しつつある、パルスX線発生法(SOR光)と同期光励起の組み合わせ技術を利用して、探索のための測定装置試作とデモ実験を試行することも重要な目的としている。本年度は強い電子-格子結合が予測される新しい物質である高濃度カルシウムドープチタン酸バリウム結晶を準備し、本格的な物質特性の評価を行った。測定として光励起の無い状態で電場誘起による結晶歪み効果を測定し、現在実用に供されているPb含有型セラミックスを遥かに凌駕する巨大な電場誘起歪み効果を確認した。これは緊急性を持った応用上も重要な発見である為、本年度はこの物質探索部分に集中した研究展開を行った。その結果、カルシウム濃度が30%超までの単結晶の作製に成功するとともに、量子揺らぎを伴う特異な温度-組成相図や、370K-2Kの非常に広範な温度域で、温度依存性、周波数依存性をほとんど示さない大きな誘電応答など、数々の特異な物性を発見することが出来た。これらの結果を取りまとめて投稿し、論文として公表した。さらに光誘起で大きな格子歪みの発生が期待できる有機結晶の探索も行い、幾つかの物質で候補を発見し、その特性の研究も実施した。この結果も現在論文にとりまとめ一部は既に公表され、一部は投稿中である。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】16651047 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フォトニツク結晶 / 表面プラズモン / 電子顕微鏡 / 光物性 / 物性実験 / 金属フォトニック結晶 / 透過型電子顕微鏡 / ナノホール / 光の異常透過

【研究成果の概要】

平成17年度は、前年度の研究を継続して行う一方で、前年度に作製した角度分解型光検出装置を使ってナノホールや1次元および2次元表面構造に形成される表面プラズモンからの発光の放射角依存性を調べた。この装置には偏光方向と波長とを選別する機能があるのでそれらを特定の値に設定することでプラズモンモードを選択できる。2次元構造を持つ金属表面からはややブロードではあるが異方性のある放射角分布が観測され、角度毎のスペクトル変化を測定することができた。
1.2次元配列した銀微粒子の表面からの電子線励起発光についてこの装置を適用した結果、発光強度の放射角分布が電子ビームの照射位置により変化することを観測した。とくに、微粒子の中心を照射するときは表面垂直方向に集中した放射が起こり、粒子間の接合部を照射するとき表面垂直方向から高角度の方向に分布した放射が起こることを見出した。
2.ナノホールをもつ金属薄膜試料に対して放射角毎に角度分解した発光スペクトルや発光像の測定を行った。その結果、放射角度分布を観測したが明瞭な異方性のある放射を識別できなかった。これについては、試料変質の対処や、測定系の検出感度を向上させることを検討している。
3.誘電体フォトニック結晶として逆オパール構造を持つSi試料の電子線励起発光を調べた。いくつかの球サイズの逆オパール構造を持つSiO_2試料で測定を行い、可視光領域のスペクトルを調べた。スペクトルにはいくつかのディップが現れ、フォトニックギャップとの対応を検討した。とくに、主要ギャップが可視光領域に現れるように設計した球サイズの小さな逆オパール構造を持つSiO_2試料で測定を行い、角度分解測定からギャップの性質を調べた。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【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)