物性実験II

光物性物理

教員

教授/石原 照也 HP 教授/吉澤 雅幸 HP
准教授/松原 正和 HP 准教授/冨田 知志 HP
助教/大野 誠吾

研究について

光物性物理グループでは、光と物質の線形・非線形の多彩な相互作用を高度に利用・開拓することにより新奇な物理現象の解明と物質機能の創出を行っています。

1) メタマテリアルとフォトニック結晶

金属フォトニック結晶の原子間力顕微鏡イメージ

 物質を人工的にデザインしてうまく配列すると、自然界に存在する物質にはあり得ない光学特性を持つ物質を作り出すことが可能になります。光と物質の相互作用を人工的にデザインできる系としてメタマテリアルとフォトニック結晶に注目し、電磁場計算による物質デザイン・ナノ加工技術を用いた試料作製・レーザーなどを用いた光学測定の3本立てで新しい研究分野を開拓します。特に、人工構造のデザインによる高効率な光起電力/光第二高調波発生の創出、幾何学的位相を利用したトポロジカル現象の解明、光捕集機能を持つメタマテリアルの開発、モアレ構造を利用したテラヘルツ波のアクティブ制御手法の開拓、などに重点を置き研究を進めています。

2) 有機共役π電子系の非線形分光

光合成系光アンテナ中のエネルギー移動(左)と
カーボンナノチューブに生成されたコヒーレント振動(右)

 共役π電子をもつ有機物質系は光エレクトロニクス高機能性材料への応用が期待されています。例えば、光合成系の光捕集色素蛋白複合体(光アンテナ)はナノサイズの環状構造をしています。光エネルギーはナノ構造中の光アンテナ分子に吸収され、フェムト秒(10-15秒)からピコ秒(10-12 秒) の時間で反応中心へと高効率に運ばれます。この励起状態ダイナミクスを研究することで人工の光合成系を含めた新たな光機能性材料の開発を目指しています。また、円筒形の共役π電子系をもつカーボンナノチューブについても、その特徴的な光学応答や振動特性の解明を行っています。
 非線形光学効果を用いた新分光法の開発も進めています。フェムト秒誘導ラマン分光では、時間と周波数の不確定性原理を回避した世界最高性能の装置開発に成功しています。多色マルチ励起光による非線形励起や時間と空間を自在に制御した光パルスの生成も行っています。これらの方法を駆使して従来の分光法ではわからない物性の本質を明らかにし、光によって物質中にまったく新しい状態を作り出す物性制御に挑んでいます。

3) 光スピントロニクス

 電子の電荷を基にした現代エレクトロニクスを超え、電子のスピン(磁石の性質)を組み込んだ量子物性機能を探索しています。例えば、対称性や光応答を人工操作した磁性体メタマテリアル、磁性体と誘電体の特徴を兼ね備えるマルチフェロイック物質、電磁気学では禁止されている磁気モノポールなどを実現するメゾスコピック人工磁性体などを舞台に、独自開発した光技術を用いることで、将来のテクノロジーを支えうる新しい物理原理や光物質機能の開拓を目指しています。具体的には、光により電子スピン(スピン配列・スピン流)を制御する新規光スピントロニクス原理の開発、高度な光イメージング技術を用いた量子物性機能の解明、特殊なスピン配列を利用した電気磁気制御技術の開拓、磁性と誘電性を結合する電気磁気光機能(光のダイオード機能・波長変換機能・光電変換機能)の創出など、光(フォトニクス)-電気(エレクトロニクス)-磁気(マグネティクス)を融合する最先端の光物質科学を開拓します。

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