電子の動きを光で凍結－レーザー光で有機金属を絶縁体に変える 研究活動 | 研究／産学官連携

^{東 大学大学院理学研究 中央大学理 学研究所}

岡山理 大学大学院理学研究

古屋大学大学院 学研究 東 大学金属材料研究所

^{学技術振興機構} JST

電子 動 凍結

～ 機金属 絶縁体 変え ～

概要

東 大学大学院理学研究 岩井伸一郎教授 石原純夫教授 中央大学理 学部 米満賢 治教授 岡山理 大学大学院理学研究 山本薫准教授 古屋大学大学院 学研究 岸 英夫教授 東 大学金属材料研究所 佐々木孝彦教授 機金属中 電子

動 照射 凍結 秩序

本研究 果 英国 学雑 Nature Communications ^受理 26 11 24 日 ₁₉：₀₀ 日本時間 ン ン掲載

ポイント

絶縁体 金属 変 起 可能 金属 絶縁体

変 困

極限的 超短 ₍極超短 ₎ 瞬時強電場 発生 振動電場

電子 動 くく 利用 金属－絶縁体 制御

背景

一般 照射 固体物質 熱 物質 構 電子や原子 運

動 ネ 得 動 や く 一方 真空中 孤立原子

照射 原子 いう現象 冷却

注

知 い

冷却 気相 原子 特 組 冷却 従

固体中 電子 運動 全く異 原理 必要

実 固体中 電子 方法 ₃₀ 以 前 案 い 図_1(a) 示

う 金属 電場 印 電子 速 電場 向 転 電子

追随 向 変え 図_1(b) う 電子 追い い 素早く電場

向 変え続 電子 方向 動い い わ く 結局

う 考え 電子 動 追随 い 素早く電場 向 変え

1 ^{間 百～千兆} 10^14～10^{15 回 ン 必要 周波数}

う 振動数 相当 物質 照射 電子 高周波数 交流電場

理論計算 う 高周波 電場 電子

物質 破壊限界 超え 強い 必要 物質 壊

電子 現実的 不可能

研究内容

本研究 _{7 1} 千兆 一 いう極 短い 幅

赤外 中心波長_1.7 ン 図₂ 開発 波長 い

7 fs ^{いう時間 電場 振動 わ} 1.5^{周期 含} 7 fs ^{原子 動く時}

間 短い 物質 原子 熱振動 温度 原子移動

物質 壊 暇 あ 究極 短 用い 試料 壊

極端 高温 く極 大 電場 10 MV/cm 10 =^一千万

印 可能

対象 物質 次元 機金属 α-(BEDT-TTF)2I3 BEDT-TTF= ^ン

ン 略 用い 物質 典型的 機金属 一 あ

BEDT-TTF ^子 I3 ^{子 層状 積層 電荷移動錯体} BEDT-TTF ^{子 作} 層 金属的 伝導層 形 い

物質 電荷 動 状態 金属 電荷 秩序 動 い状態 絶縁体

変 赤外線領域 大 射率 増大 特徴 々

ン

注

呼 測定手法 用い 照射直後 射率 ペ 変

測定 図₃ 照射 直後 観測 射率 ペ 時間変

示 い 通常 金属 照射 瞬間 起 電子温度 昇 観

測 ペ 変 温度 昇 予想 全く異 励起直後

観測 射率 増大₍図 ₅ 青い部 ₎ 金属相中 電荷 秩序状態 形

表 い 状態 わ ₄₀ 程度 消滅 後 温度 昇

映 射率 変 _[ ネ 側 図₅ 側 赤色 図₅ 射率 減少 _] 見

金属中 電子 秩序 い 示 う 射 変

見 十 あ 本研究 秩序 動 く 電子 金

属状態 異 固 時間軸 振動 示 利用 電子 確

図₄ 射率変 時間変 見 時間軸 振動 青線 示

周期_{20 fs} 振動 秩序 動 い電子 特 振動 ₄₀

程度 消滅 後 わ 残 振動 図₆ 赤線 振幅 倍 拡大 電子 振動

原子 振動 _BEDT-TTF 子内 _C=C伸縮振動 ネ 受 渡 温度

始 様子 映 今回観測 電子 秩序

照射 結晶格子 温度 始 一瞬前 捉え 言え

今回 々 観測 電子 動 凍結 述 う 強い高周波電場

効果 あ 実 々 用い 電場 電子 完全

不十 あ 簡単 計算 電子 動 や 運動 ネ _{10 %}

程度減少 効果 い 予想 い わ 電子 秩序

理 々 用い 機金属 特 理 あ 考え 物質 強

相関電子系 呼 物質系 属 電子間 強い ン 発

注

働い い 知

い ン 発 ネ 電子 う わ 今

回 実験 電子 動 や _{10 %}減 電子 電子相関

力 借 考え 注目 い 高周波強電場 電子相

関 効果 協力的 働く 単 電子 いう く 多数 電

子 集団 秩序 い 電子 氷 う 凍結

交流強電場 物質 作用 本研究 用い 近赤外 周

波数 約₁₀₀倍 い 電子 ンネ ン 絶縁破壊 絶

縁破壊

注

図_5(a) 電場 電子 駆動 結果 数多く報告 い 対 高周波 振動電場 電子 動 図_5(b) いう現象 全く逆 現象 あ 初 例 言え

今後 課題

今回 々 新 見出 電子 運動 凍結や秩序 高周波強電場

効果 電子相関 協奏的 働い 結果 考え 強い 電場 や磁場 物質

中 形 状態 電磁場 物質中 電子 一体 電

子

注

呼 現象 近注目 集 い 理論的 状態

い 電子間 発力 斥力 引力 転 現象や 電子 ン 構造 転 新

奇 物理現象 期待 い 基礎 学 興味深い く 誘起

超伝導や 誘起強誘電性 発現 新 い物質制御 試料 破壊

や温度 昇 実験的 実現 困 本研究 実証 う 相制御

数 極超短 原子 振動 熱 温度 以前 電子

操作 う 状態 研究 強力 手法 今後

質量 無い 電子や 絶縁体 近注目 集 い 系 研究

役立 期待 々 現在 強度 大 く 幅 短

い 開発 行 い 新 い 将来 物質 中 多数 電子

く 好 方向 動 並び方 変え 物質 色 電

気抵抗 磁性 瞬時 自在 ン 可能 期待

本 果 _JST 戦略的創造研究推進 業 型研究 _CREST 端 源 駆使

学 技術 融合展開 研究領域 研究課題 端超短 源 誘起相

転移現象 素過程 解明 研究代表者：岩井 伸一郎 ₂₀ 度～₂₅ 度 得

図 。a) 金属 電荷。e) 定常電場Ｅ 印 様子 金属中 自 電荷 電場。分) 原子 渡 歩い 物質中 動く 。け)固体中 電荷。e) 電場 向 右 わ 振動電 場 分。ω) 様子 電場 振幅 十 大 く 且 電場 振動周期 電子 原子間 渡 歩

く時間 程度 電子 動い 良い わ く う 赤

外 電場 振動周期 数 1 千兆 一 振動電場 あ う

高速 電場 え 可能 あ

図_{2 (a)} 赤外_{7 fs(}現在 _{6 fs)} 源 模式図 写真_{(c), (d)}

(b) 7 fs ^{時間幅 示 非線形信号 第 高調波発生 電場波形 幅内} 電場 振動 _1.5周期 含 い い わ 原子 振動 熱振動 物質 温度

以前 電場 消滅 う 物質 温度 破壊 強力 電場 物質

え

図_{3 7 fs} 中心波長_1.7 μ_m 励起強度_{0.8 mJ/cm}² 励起後 射 ペ 変 Δ_R/R 青い部 射率 増 赤い部 射率 減少 表 励起後_{50 fs} 電子 冷

却 観測 後温度 昇 転

図₄ 図₃ 示 射率変 _0.65eV 図₃ 緑色 線 射率変 時間 抜 出 時間軸 振動 赤い部 _{50 fs}以降 振幅 ₃倍 示 あ

挿入図 _{0-40 fs} 青 _{,80-120 fs} 赤 時間領域 振動 対応 周波数軸 ペ _{10 K(}電 荷秩序絶縁体_{) 140K} 金属 定常 学伝導度 比較 示 _{0-40 fs} ペ

電荷秩序 _{10 K} ペ 対応 い _{80-120 fs} ペ 見 金属

相_{(140 K)} 定常 _C=C結合 一致 い

図_{5 (a)} 絶縁体 定常電場や 電場 印可 場合 電子 ン 電場 傾 価電子

帯 電子 伝導帯 ンネ ン う う 絶縁破壊 機構 破壊 呼

注_{4 (b)} 高周波 電場 振動 ン ャ 傾 電子 運動 時間 高速

変 電荷 動 い

用語解説

注₁ 冷却

金属 土類金属 気相原子 照射 絶対零度 摂氏-₂₇₃度

極 近い温度 ～ ン 冷却 手法 原子 運動方向 対

一方向 逆方向 照射 効果 原子 運動 い 方

向 常 逆方向 力 働く 原子 均速度 減少 原子 冷却

注₂ ン

ン 励起 物質 照射 起 電子状態や構造 変 計測

続 計測 物質 照射 射率や透過率 変 調 方法

ン － 法 ン 数 幅

用い ン 照射時間差 学遅延回路 制御 超高速

時間 解 可能 計測法 半導体中 ャ や 子

解 合 初期過程 セ 素過程 明

用い

注 」 ン 発 ネ

固体中 電子や 孔 1 原子や 子 属 く 結晶全体 動 回 性

質 持 一方 物質中 く 電子 存在 互い ン力 避

合う結果 自 動 く う あ 電子 動 回 性質 避 あ 動

く 性質 運動 ネ ン 発 ネ 特徴付

「 ネ 相対的 大 物質 電気的特性 金属

状態 絶縁体 状態 決

注₄ 破壊

絶縁体 い 定常強電場 価電子帯 伝導帯 電子遷移 起 絶縁性 突 然失わ 現象 電場 価電子帯 伝導帯 空間的 傾く 価電子帯 頂 部

伝導帯 部 ネ あ 距 隔 等 く 距 価電子帯 電

子 出 短く 電子 価電子帯 伝導帯 ンネ 効果 遷移

周波 交流電場 様 現象 観測

注 ) 状態

物質中 電子 衡 大 く 状態 強い交流電場 実現

近 動的 均場 呼 理論 手法 用い 強相関電子系 状態 研究 注目

集 い 本来 吸 放出 釣 合 定常状態 表 概念 あ ₁

以 電場 あ 像 限定的 使え 場合 あ

＜論文名および著者名＞

Optical freezing of charge motion in an organic conductor 機伝導体 電荷 運動 凍結

T. Ishikawa, Y. Sagae, N. Naitoh, Y. Kawakami, H. Itoh, K. Yamamoto, K. Yakushi, H. Kishida, T. Sasaki, S. Ishihara, Y. Tanaka, K. Yonemitsu, and *S. Iwai.

*corresponding author

掲載紙： Nature Communications

ン ン掲載予定日： 「6 11 「4 日 19:00 日本時間