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Affiliation Department |
Department of Physical Science and Engineering
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Contact information |
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MIYAMOTO Tatsuya
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Research Areas
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Natural Science / Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics / 光誘起相転移
From School
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The University of Tokyo Graduate School of Frontier Sciences Graduated
2019.08
Country：Japan
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The University of Tokyo Graduate School of Frontier Sciences Graduated
2013.04 - 2015.03
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The University of Tokyo Graduate School of Frontier Sciences Graduated
2011.04 - 2013.03
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The University of Tokyo Faculty of Engineering Department of Applied Physics Graduated
2009.04 - 2011.03
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The University of Tokyo Faculty of Liberal Arts Graduated
2007.04 - 2009.03
External Career
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Nagoya Institute of Technology Associate Professor
2023.10
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The University of Tokyo Graduate School of Frontier Sciences
2013.04 - 2015.03
Country：Japan
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The University of Tokyo Graduate School of Frontier Sciences Assistant Professor
2015.04 - 2023.09
Country：Japan
Papers
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Terahertz radiation by quantum interference of excitons in a one-dimensional Mott insulator Reviewed
Tatsuya Miyamoto, Akihiro Kondo, Takeshi Inaba, Takeshi Morimoto, Shijia You, Hiroshi Okamoto
Nature Communications 14 ( 1 ) 6229:1 - 6229:11 2023.10
Authorship：Lead author, Corresponding author Language：English Publishing type：Research paper (scientific journal) Publisher：Springer Science and Business Media LLC
Abstract
Nearly monocyclic terahertz waves are used for investigating elementary excitations and for controlling electronic states in solids. They are usually generated via second-order optical nonlinearity by injecting a femtosecond laser pulse into a nonlinear optical crystal. In this framework, however, it is difficult to control phase and frequency of terahertz waves. Here, we show that in a one-dimensional Mott insulator of a nickel-bromine chain compound a terahertz wave is generated with high efficiency via strong electron modulations due to quantum interference between odd-parity and even-parity excitons produced by two-color femtosecond pulses. Using this method, one can control all of the phase, frequency, and amplitude of terahertz waves by adjusting the creation-time difference of two excitons with attosecond accuracy. This approach enables to evaluate the phase-relaxation time of excitons under strong electron correlations in Mott insulators. Moreover, phase- and frequency-controlled terahertz pulses are beneficial for coherent electronic-state controls with nearly monocyclic terahertz waves.DOI： 10.1038/s41467-023-41463-8
Other Link： https://www.nature.com/articles/s41467-023-41463-8
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Melting of excitonic insulator phase by an intense terahertz pulse in Ta$_2$NiSe$_5$
Naoki Takamura, Tatsuya Miyamoto, Ryohei Ikeda, Tetsushi Kubo, Masaki Yamamoto, Hiroki Sato, Yang Han, Takayuki Ito, Tetsu Sato, Akitoshi Nakano, Hiroshi Sawa, and Hiroshi Okamoto
arXiv 2309.05286:1 - 2309.05286:66 2023.09
Authorship：Corresponding author Language：English Publishing type：Research paper (scientific journal)
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Dynamical aspects of excitonic Floquet states generated by a phase-locked mid-infrared pulse in a one-dimensional Mott insulator Reviewed
Takashi Yamakawa, Tatsuya Miyamoto, Daiki Sakai, Hiroshi Okamoto
New Journal of Physics 25 093044:1 - 093044:20 2023.09
Authorship：Corresponding author Language：English Publishing type：Research paper (scientific journal)
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Metallic State of a Mixed-Sequence Oligomer Salt That Models Doped PEDOT Family Reviewed
Kota Onozuka, Tomoko Fujino, Ryohei Kameyama, Shun Dekura, Kazuyoshi Yoshimi, Toshikazu Nakamura, Tatsuya Miyamoto, Takashi Yamakawa, Hiroshi Okamoto, Hiroyasu Sato, Taisuke Ozaki, Hatsumi Mori
Journal of the American Chemical Society 145 ( 28 ) 15152 - 15161 2023.07
Language：English Publishing type：Research paper (scientific journal) Publisher：American Chemical Society (ACS)
DOI： 10.1021/jacs.3c01522
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Experimental verification of charge soliton excitations in the ionic Mott-Peierls ferroelectric TTF-CA Reviewed
R. Takehara, H. Adachi, K. Sunami, K. Miyagawa, T. Miyamoto, H. Okamoto, S. Horiuchi, K. Kanoda
Physical Review B 107 125164:1 - 125164:6 2023.03
Language：English Publishing type：Research paper (scientific journal)
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Efficient Mott insulator-metal transition by an intense terahertz electric field pulse via quantum tunneling Reviewed
N. Takamura, T. Miyamoto, S. Liang, K. Asada, T. Terashige, Y. Takahashi, T. Hasegawa, H. Okamoto
Physical Review B 107 085147:1 - 085147:14 2023.02
Authorship：Corresponding author Publishing type：Research paper (scientific journal)
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Detecting magnetoelectric effect in a metallic antiferromagnet via nonreciprocal rotation of reflected light Reviewed
Keito Arakawa, Takeshi Hayashida, Kenta Kimura, Ryusuke Misawa, Takayuki Nagai, Tatsuya Miyamoto, Hiroshi Okamoto, Fumitoshi Iga, and Tsuyoshi Kimura
Physical Review Letters 2023
Language：English Publishing type：Research paper (scientific journal)
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Emission of Terahertz Electromagnetic Waves: A New Spectroscopic Method to Investigate Physical Properties of Solids Invited Reviewed
Noriaki Kida, Tatsuya Miyamoto, Hiroshi Okamoto
JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN 91 ( 11 ) 2022.11
Language：English Publisher：PHYSICAL SOC JAPAN
When a femtosecond laser pulse is applied to a solid with no spatial inversion symmetry, a low-frequency oscillation of polarization sometimes appears via the second-order nonlinear optical effect or equivalently the optical rectification. This results in an emission of terahertz electromagnetic waves via the electric-dipole radiation mechanism, which is usually called a terahertz radiation. In this review, we show that such a terahertz-radiation process itself can be used to reveal physical properties of solids. One example is the detections of ferroelectric domains and domain walls, which are demonstrated in various organic and inorganic ferroelectrics. The amplitude and sign of electric fields of the terahertz radiation are found to reflect the magnitude and direction of the original ferroelectric polarization, respectively. By using these characteristics, ferroelectric domains and domain walls can be visualized by measuring the position dependence of the electric-field waveform of the terahertz radiation over the sample. This method is also applied to determine the polarization vector in three dimensions in ferroelectric films. A similar terahertz radiation can be used as a probe to detect the conducting path in a negative differential resistance state, which is induced by the application of an external electric field on a ferroelectric charge-order material. Besides the electric-dipole radiation, the magnetic-dipole radiation is possible to occur in magnets. Using an emission of the terahertz electromagnetic waves originating from the magnetization modulation, visualization of magnetic domains can be achieved in ferrimagnets. In addition, we review new types of terahertz-radiation mechanisms based upon an impulsive stimulated Raman scattering process, a circular photogalvanic effect, and a photoinduced phase transition. We show that valuable information about the steady-state and dynamical electronic properties of solids can be derived by analyzing the amplitude, phase, and polarization of electromagnetic waves observed in various types of terahertz radiations.
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Hydrogen Bonding Propagated Phase Separation in Quasi-Epitaxial Single Crystals: A Pd–Br Molecular Insulator Reviewed
Takefumi Yoshida, Shinya Takaishi, Laurent Guérin, Tatsuhiro Kojima, Hiroyoshi Ohtsu, Masaki Kawano, Tatsuya Miyamoto, Hiroshi Okamoto, Kenichi Kato, Masaki Takata, Yuka Hosomi, Shoji Yoshida, Hidemi Shigekawa, Hisaaki Tanaka, Shin-ichi Kuroda, Hiroaki Iguchi, Brian K. Breedlove, Zhao-Yang Li, Masahiro Yamashita
Inorganic Chemistry 61 ( 35 ) 14067 - 14074 2022.09
Publishing type：Research paper (scientific journal) Publisher：American Chemical Society (ACS)
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Terahertz Radiation with Multi-Narrowband Components via Photoinduced Melting of Charge Order in an Electronic-Type Ferroelectric Organic <i>α</i>-(BEDT-TTF)<sub>2</sub>I<sub>3</sub> Reviewed
Yuto Kinoshita, Hiromichi Yamakawa, Tatsuya Miyamoto, Kaoru Yamamoto, Hatumi Mori, Hiroshi Okamoto, Noriaki Kida
Journal of the Physical Society of Japan 91 ( 9 ) 2022.08
Publishing type：Research paper (scientific journal) Publisher：Physical Society of Japan
Misc
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Advanced Spectroscopic Measurements of Carrier Dynamics in Organic Semiconductors
宮本辰也, 大瀧貴史, 貴田徳明, 岡本博, 岡本博
計測と制御 60 ( 3 ) 2021
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Observation of ultrafast spin-relaxation and magnon precession dynamics in photoexcited states of a cuprate Mott insulator
54 ( 9 ) 459 - 473 2019.09
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Emission of Terahertz Electromagnetic Waves by Femtosecond Laser Pulse Irradiation in Solids and Its Application to Materials Science
貴田徳明, 宮本辰也, 岡本博, 岡本博
日本物理学会誌 74 ( 5 ) 2019
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Ultrafast insulator-metal transition induced by a terahertz pulse
山川大路, 宮本辰也, 岡本博, 岡本博
応用物理 88 ( 2 ) 2019
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固体物理〈高強度テラヘルツ・赤外パルスが拓く非平衡物性〉III.テラヘルツパルスによる応答 テラヘルツパルスによる電子型誘電体の超高速分極制御とその機構の解明
宮本辰也, 高橋聡
54 ( 11 ) 2019
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Ultrafast polarization control by a terahertz and optical pulse in electronic-type ferroelectrics
49 ( 4 ) 279 - 298 2014.04
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励起子絶縁体Ta2NiSe5におけるテラヘルツ電場誘起金属化―多層膜モデルによる過渡反射スペクトルの精密解析―
宮本辰也，高村直幹，中埜彰俊，澤博，岡本博
78 ( 2 ) 2023
Authorship：Lead author, Corresponding author Language：Japanese Publishing type：Research paper, summary (national, other academic conference)
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分子性強誘電体TTF-CAにおけるテラヘルツ電場誘起分極変化ダイナミクス ―テラヘルツ反射分光に基づくコヒーレント振動の解析―
久保哲士，佐藤鉄，池田良平，酒井大輝，山本真毅，宮本辰也, 岡本博
78 ( 2 ) 2023
Language：Japanese Publishing type：Research paper, summary (national, other academic conference)
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中赤外パルスによる水素結合型分子性強誘電体の超高速分極制御 －プロトン振動ダイナミクスの実時間観測－
李沄昍, 山川貴士, 尤仕佳, 宮本辰也，堀内佐智雄，岡本博
78 ( 2 ) 2023
Language：Japanese Publishing type：Research paper, summary (national, other academic conference)
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擬一次元フタロシアニン希土類錯体のフィリング制御と広帯域反射スペクトルによる電子状態変化の解析
佐藤鉄,史一聡,郭紫荊,久保哲士，高村直幹，宮本辰也, 高石慎也, 山下正廣, 加藤恵一, 岡本博
78 ( 2 ) 2023
Language：Japanese Publishing type：Research paper, summary (national, other academic conference)
Presentations
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広帯域フェムト秒赤外反射分光による励起子絶縁体のテラヘルツ電場誘起金属化の研究 Invited
宮本辰也
非平衡固体物性の最前線 2023.11 辻直人 (東大), 高吉慎太郎 (甲南大), 村上雄太 (理研), 鈴木剛 (東大), 内田健人 (京大)
Event date： 2023.11
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (invited, special)
Venue：東京大学 Country：Japan
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Tatsuya Miyamoto
2023.09
Event date： 2023.09
Language：English Presentation type：Symposium, workshop panel (nominated)
Country：Japan
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中赤外パルスによる水素結合型分子性強誘電体の超高速分極制御 ―第二高調波発生とそのサイドバンド放射を利用した分極変化の検出―
尤 仕佳, 宮本 辰也, 山川 貴士, 李 沄昍, 堀内 佐智雄, 岡本 博
日本物理学会第78回年次大会 2023.09 日本物理学会（JPS）
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：東北大学 川内キャンパス Country：Japan
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１次元Mott絶縁体ET-F2TCNQにおける中赤外電場駆動下の電子状態の観測
池田良平，酒井大輝，山川貴士，宮本辰也，長谷川達生，岡本博
日本物理学会第78回年次大会 2023.09 日本物理学会（JPS）
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：東北大学 川内キャンパス Country：Japan
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フェロアキシャル物質PbWO4における THz電場誘起非線形格子振動の解析
山本真毅, 佐藤弘基, 宮本辰也, 永井隆之, 木村健太, 木村剛, 岡本博
日本物理学会第78回年次大会 2023.09 日本物理学会（JPS）
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：東北大学 川内キャンパス Country：Japan
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擬一次元フタロシアニン希土類錯体のフィリング制御と広帯域反射スペクトルによる電子状態変化の解析
佐藤鉄,史一聡,郭紫荊,久保哲士，高村直幹，宮本辰也, 高石慎也, 山下正廣, 加藤恵一, 岡本博
日本物理学会第78回年次大会 2023.09 日本物理学会（JPS）
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：東北大学 川内キャンパス Country：Japan
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中赤外パルスによる水素結合型分子性強誘電体の超高速分極制御 －プロトン振動ダイナミクスの実時間観測－
李沄昍, 山川貴士, 尤仕佳, 宮本辰也，堀内佐智雄，岡本博
日本物理学会第78回年次大会 2023.09 日本物理学会（JPS）
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：東北大学 川内キャンパス Country：Japan
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分子性強誘電体TTF-CAにおけるテラヘルツ電場誘起分極変化ダイナミクス ―テラヘルツ反射分光に基づくコヒーレント振動の解析―
久保哲士，佐藤鉄，池田良平，酒井大輝，山本真毅，宮本辰也, 岡本博
日本物理学会第78回年次大会 2023.09 日本物理学会（JPS）
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：東北大学 川内キャンパス Country：Japan
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励起子絶縁体Ta2NiSe5におけるテラヘルツ電場誘起金属化―多層膜モデルによる過渡反射スペクトルの精密解析―
宮本辰也，高村直幹，中埜彰俊，澤博，岡本博
日本物理学会第78回年次大会 2023.09 日本物理学会（JPS）
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：東北大学 川内キャンパス Country：Japan
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末端基におけるカルコゲン置換によるEDOT オリゴマー伝導体の高伝導化実現
小野塚洸太、藤野智子、宮本辰也、山川貴史、岡本博、森初果
第17回分子科学討論会 2023.09 分子化学会
Event date： 2023.09
Language：Japanese Presentation type：Oral presentation (general)
Venue：大阪大学 豊中キャンパス Country：Japan
Awards
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Inoue Research Award for Young Scientists
2023.02 Inoue Foundation for Science Development of ultrafast nonlinear optical responses by terahertz electric field pulses
Award type：Award from publisher, newspaper, foundation, etc. Country：Japan
Scientific Research Funds Acquisition Results
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強相関系絶縁体におけるテラヘルツパルス誘起相転移
Grant number：20K03801 2020.04 - 2023.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C) 基盤研究(C)
宮本 辰也
Grant amount：\4290000 （ Direct Cost: \3300000 、 Indirect Cost：\990000 ）
強相関系物質では、光誘起絶縁体―金属転移をはじめとして高効率・超高速の光誘起相転移現象が見出されており、将来の光スイッチングデバイスへの応用が期待されている。この現象は、学術的にも、光物性や非平衡物理の新しいトピックスとして、近年盛んに研究されている。しかし、この方法では必然的に系の温度上昇が生じ、基底状態への回復に数十ピコ秒の時間を要するため、光スイッチとしての高速性が失われる。この問題を解決するために、申請者はテラヘルツパルスに注目した。テラヘルツパルスは可視光よりも約三桁光子エネルギーが小さいため、温度上昇の効果を抑えることができる。
本研究では、まず、有機非線形光学結晶であるDSTMSを利用することによって、最大で3 MV/cmを超える電場強度を持つテラヘルツパルスを発生させることに成功した。次に、発生させたテラヘルツパルスを一次元モット絶縁体であるET-F2TCNQに照射した後の反射率スペクトル変化を測定した。テラヘルツパルスの電場強度が小さい場合（0.3 MV/cm）、先行研究ですでに報告した通り、三次の非線形光学効果に起因する反射率変化のみが現れた。一方、2.8 MV/cmまで電場強度を増強した場合は、モットギャップの反射率が減少し、低エネルギー側で反射率が増大するという結果が得られた。これは、金属状態を表すドルーデ応答の特徴であり、モット絶縁体－金属転移が生じていることを意味する。また、金属化がテラヘルツ電場強度に対して閾値的に生じることを明らかにした。これは、テラヘルツパルスによるモット絶縁体－金属転移が、強電場による量子トンネル効果によるキャリア生成に起因したものであることを示唆する結果である。 -
Grant number：18K13476 2018.04 - 2020.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Early-Career Scientists Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Miyamoto Tatsuya
Grant amount：\4160000 （ Direct Cost: \3200000 、 Indirect Cost：\960000 ）
In this work, we have successfully generated ultra-intense terahertz pulses with an electric field amplitude of 2.6 MV/cm using an organic nonlinear optical crystal. We have demonstrated that macroscopic polarization generation and polarization modulation in sub-picoseconds are possible by using intense terahertz pulses on hydrogen-bonded organic molecular dielectrics, such as a croconic acid. By analyzing the optical spectral changes under terahertz electric field, it is found that the change in the spatial distribution of the π-electron system plays a more important role in the polarization change than the proton displacements that form hydrogen bonds.
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Clarification of the electronic dynamics of photoinduced phase transitions in correlated systems
Grant number：16K17721 2016.04 - 2018.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B) Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
Miyamoto Tatsuya
Grant amount：\4030000 （ Direct Cost: \3100000 、 Indirect Cost：\930000 ）
In this work, we clarified electronic dynamics after photoexcitation in correlated systems, Mott insulators and organic charge transfer complexes, by performing pump-probe spectroscopy with a high time resolution by using an ultrafast pulse generated from a self-produced noncolinear optical parametric amplifier. Especially, we succeeded in real-time observation of charge-spin dynamics such as generation of magnetic polarons and coherent oscillations related with two-magnon excitations.
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強相関電子系の光誘起相転移における電子ダイナミクスの実時間観測
Grant number：15H06130 2015.08 - 2016.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 研究活動スタート支援 研究活動スタート支援
宮本 辰也
Grant amount：\1430000 （ Direct Cost: \1100000 、 Indirect Cost：\330000 ）
強相関系物質では、光誘起絶縁体―金属転移をはじめとして高効率・超高速の光誘起相転移現象が見出されており、将来の光スイッチングデバイスへの応用が期待されている。学術的にも、光物性や非平衡物理の新しいトピックスとして、近年盛んに研究されている。しかし、通常汎用的に使われている100fsクラスのレーザーを用いた過渡分光では光誘起相転移現象において最も重要な光励起直後の電子系の変化を捉えることはできず、より高い時間分解能の過渡分光測定が求められている。本研究では、非同軸オプティカルパラメトリックアンプ（NOPA）を自作して、それを利用したポンプ―プローブ分光を行うことで、強相関系の光誘起相転移における電子ダイナミクスを解明することを目的とした。
自作したNOPAのシグナル光のチャープをチャープミラー対と石英板を利用して補正することで、7fsの時間幅を持つ可視超短パルス光を得ることに成功した。このパルス光を利用した時間分解能10 fsのポンプ―プローブ分光を行うことによって、二次元モット絶縁体である銅酸化物Nd2CuO4の光キャリアダイナミクスの初期過程を調べた。
その結果、約18fsの時間スケールで光キャリアが磁気ポーラロンへと変化することが明らかとなった。また、反射率変化には、マグノンに対応するようなコヒーレント振動が観測された。これは、光キャリアの緩和にはマグノンが重要な役割を果たしていることを意味する。さらに、励起光子密度を増大させると金属状態が生成するが、その緩和時間が10fs～40fsであることが分かった。励起光子密度を大きくすると緩和時間が速くなることから、金属状態の緩和はオージェ再結合によるものであると結論づけた。このように、10fsのポンプ―プローブ分光を行うことで、二次元モット絶縁体の光キャリアダイナミクスの初期過程を明らかにしたことが、本研究の成果である。 -
テラヘルツ波を用いた強相関電子系の超高速スイッチング現象の開拓
Grant number：13J06679 2013.04 - 2015.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費 特別研究員奨励費
宮本 辰也
Grant amount：\2200000 （ Direct Cost: \2200000 ）
将来の情報化社会において、通信速度を上昇させることは必須であり、ピコ秒オーダーで光の強度や光路を変化させることができる超高速スイッチング現象の開拓が求められている。これまでは、光励起による超高速スイッチング現象の研究が行われてきた。しかし、光を制御パルスとして利用すると、実励起による温度上昇や結晶の損傷が生じる可能性がある。この問題を解消するため、より低エネルギーの電磁波であるテラヘルツ波を制御パルスとして利用することを考えた。
前年度までに、一次元モット絶縁体である臭素架橋Ni錯体と電子型強誘電体である有機電荷移動錯体TTF-CAを対象としてテラヘルツ波ポンプ―光（第二高調波：SHG）プローブ分光を行い、テラヘルツ波励起による超高速の光制御と分極変調に成功した。今年度は、一次元モット絶縁体である有機電荷移動錯体ET-F2TCNQと水素結合型強誘電体であるクロコン酸を対象としてさらに研究を進めた。
一次元モット絶縁体であるET-F2TCNQにおいて、テラヘルツ波による三次の非線形光学効果を利用した超高速光スイッチングに成功した。これは、温度上昇の効果などによる遅延応答のない、本当の意味での超高速スイッチング現象である。さらにこの物質では、通信波長である1.55μmの光を制御することが可能であり、実用的なものとなっている。
次に、水素結合型強誘電体であるクロコン酸において、テラヘルツ波照射による高速の分極変調に成功した。テラヘルツ波によるSHG強度の変調の大きさは、TTF-CAの場合と比べて五倍ほど効率がよい。これは、π電子系とプロトンが強く結合して強誘電分極を発現するクロコン酸の特徴であると推測される。
本研究は、強相関電子系の物質におけるテラヘルツ波応答を明らかにしたことに加え、テラヘルツ波励起による超高速の光制御・分極変調の有用性を実証した重要な成果であるといえる。