近年、デバイスの極微細化が進み、ナノメートルサイズのデバイスが実現しつつあります。ここで電子の平均自由行程がデバイスサイズ以下になると、電子が格子振動や格子欠陥に散乱されない領域（バリスティック伝導領域）になる事が分かってきました。もしこの領域が実現できれば、 電界効果トランジスタ（ FET）等のデバイス中で、 電子はソースからドレインまで散乱されることなく進み、スイッチング速度が劇的に速いトランジスタが実現できます。 現在、バリスティック伝導に関する研究は、ほとんどが 電子線リソグラフィー等 の微細加工技術に依存したデバイスサイズを小さくする手法を取っています。しかし、もし 時間的に位相が揃って（コヒーレントに）整然と振動する格子振動の状態を作ることができれば、そのコヒーレント物質波（ここではフォノン）の間をくぐり抜ける電子の平均自由行程は、時間的に乱雑に熱振動している格子振動の間をくぐり抜ける電子の平均自由行程よりも長くなると期待できます。また一方、コヒーレントフォノンの特徴として、その周期的な振動によって試料表面近傍には 10-2〜10-4程度の反射率変化が誘起されている点が挙げられます。光学フォノンの場合は、テラヘルツ (THz)領域にもなるこの反射率変化を積極的に利用すれば、光を振幅変調する事も可能になります。さらに、固体中のフォノンは構造相転移と密接に関係しています。特に変位型強誘電体では、ソフトモードと呼ばれる低周波数のフォノンが存在し、このソフトモードの変位により相転移が起こると考えられています。従って、コヒーレントソフトモードを光制御できれば、構造相転移の操作が可能になると期待されます。
以上の様な背景の中で、最近の研究成果から、コヒーレント物質波（フォノン）は、その振動周期と同期した光パルス列を照射する事によって光制御できる事が分かってきました。しかし、コヒーレント物質波制御によって、物質波に機能を持たせるという研究は、まだほとんど行われていません。本研究では、コヒーレント物質波の振動振幅、周波数や位相を巧みに光制御する事により、この物質波と相互作用する電子や光子を操作する事を目的としています（図）。具体的には、 GaAs等の半導体におけるキャリア移動度を操作したり、テラヘルツフォノンによって変調される光の特性を操作したり、あるいは強誘電体における変位型構造相転移を操作することを目指します。将来的には、コヒーレント物質波の振動波形に情報を書き込むフォノン・メモリなど、コヒーレント物質波の制御性を利用したフォノン・デバイスの創成も考えています。
本研究に関連する主な研究論文：
• M. Hase , K. Ishioka, J. Demsar, K. Ushida, M. Kitajima,” Ultrafast dynamics of coherent optical phonons and nonequilibrium electrons in transition metals”, Phys. Rev. B. Vol. 71 , 184301 (2005).
• M. Hase , M. Kitajima, A. M. Constantinescu and H. Petek,”The birth of quasiparticles in Si observed in time-frequency space”, Nature , Vol. 426 , pp.51-54 (2003).
• M. Hase , M. Kitajima, S. Nakashima and K. Mizoguchi,”Forcibly driven coherent soft phonons in GeTe with intense THz-rate pump fields”, Appl. Phys. Lett., Vol. 83 , No. 24, pp.4921 (2003).
• M. Hase , M. Kitajima, S. Nakashima, and K. Mizoguchi,”Dynamics of coherent anharmonic phonons in bismuth using high density photoexcitation”, Phys. Rev. Lett., Vol. 88, No. 6, pp. 067401 (2002).
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