物性実験II

超高速分光

教員

教授/岩井 伸一郎 HP
助教/伊藤 弘毅 助教/川上 洋平

研究について

現代の光科学は、物質の性質を調べるという従来の枠組みを超えて、光で新しい物質相を 創り、制御する、よりダイナミックな領域へと広がりつつあります。これは超高速、大容量の光通信、光コンピューティングを目指す社会的要請(Society 5.0)に沿ったものです。

本研究グループでは、従来の半導体などを対象とした光機能の研究の枠を超え、高温超伝導体、量子スピン液体/マヨラナフェルミオン物質や、強相関ディラック半金属など、量子多体効果が生み出す「強相関電子」の世界を対象とします。極限的な赤外短パルス光(パルス幅~ 5 フェムト秒、フェムト秒=千兆分の一 (10-15) 秒)やアト秒(アト秒=百京分の一 (10-18) 秒)精度の干渉計など、世界最先端の光技術を駆使して、かつてない時間精度による測定を行います。電荷、軌道、スピン間の相互作用を数十アト秒~ピコ秒(ピコ秒=10-12 秒)のおよそ 5 桁に及ぶ時間軸ダイナミクス(エネルギー軸で 1 meV~数十 eV に対応)として解き明かし、次世代光機能のペタヘルツ(1015ヘルツ)動作を目指します。

図 1. (a) 極短パルス光源と測定装置
(b)光電場の キャリアエンベロープ位相制御
(c) 電子強誘電体における光ドメイン操作
図 2. 量子多体物質における光強電場効果と
アト秒光機能の開拓

(1)強相関電子系物質における光誘起相転移の探索
有機、銅酸化物超伝導体、ハニカム格子の量子スピン液体、スピン軌道相互作用の大きなイリジウム半金属、電子間相互作用による空間反転対称の破れを示す電子強誘電体など、超高速光機能が期待される物質を対象に、光誘起相転移(光による電子的、磁気的性質の巨視的な変化)の探索を行います。

(2) 単一 (サブ) サイクル(~5 fs)位相制御光の発生と極限分光
短パルス化の極限には何が あるのか?光の電場振動一周期に満たない極限 光パルスを開発し、「光の超強電場が固体中の電子を非線形駆動する」世界を究極のアト秒時間精度でのぞきます。強相関電子系特有のフロケ(光と電子の強結合)状態や高次高調波発生を探索します。

(3) 帯域、高強度のTHzを用いた強相関電子系の電子状態の解明と制御
テラヘルツ(THz)領域のポンププローブ分光やテラヘルツ波発生イメージングによって、電子状態やドメイン構造を明らかにします。金属とは?絶縁体とは?低エネルギー電子状態 から物質の基本的な姿を明らかにします。また、可視~近赤外光に比べて、遥かに低エネルギーの高強度THz 光を励起光として量子多体物質の操作を行います。

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