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平成29年8月22日

東京大学
分子科学研究所(IMS)
科学技術振興機構(JST)

1兆分の1秒の間の電場印加で絶縁体を金属に高速スイッチング

~消費電力の小さな新たな光デバイスに向けた新手法~

ポイント

近年、固体にパルス光を照射したときその電子構造や物性が高速に変化する現象(光誘起相転移注1))の研究が盛んに行われている。特に、強相関電子系注2)と呼ばれる物質群に属する遷移金属化合物や有機分子性結晶の中には、わずかな強度の光を照射することで光誘起相転移がピコ秒(1ピコ秒=1兆分の1秒)以下の時間スケールで高速に起こるものが数多く存在する。そのため、強相関電子系の光誘起相転移現象は、超高速光スイッチをはじめとする新しい光デバイスへの応用が期待されている。

今回、東京大学 大学院新領域創成科学研究科の岡本 博 教授(兼 産業技術総合研究所 産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ 有機デバイス分光チーム ラボチーム長)、山川 大路 大学院生、宮本 辰也 助教、分子科学研究所 協奏分子システム研究センターの山本 浩史 教授、須田 理行 助教らの研究グループは、モット絶縁体注3)と呼ばれる強相関電子系に特有の絶縁体状態にある有機分子性結晶に1ピコ秒の時間幅のテラヘルツパルス光注4)を照射すると、その電場の効果で瞬時に絶縁破壊が生じ、金属に転移することを見いだした。さらに、この金属化が、近赤外から可視域のフェムト秒パルスレーザー光注5)を照射する従来の方法よりも高速に起こること、および、金属化のエネルギー効率が高いことを明らかにした。

本研究は、テラヘルツパルス光の照射(電場パルスの印加)が固体の電子構造やそれに付随する物性を制御する手法として有効であることを実証したものであり、消費電力の小さい光デバイスの開発につながるものと期待される。

本成果は、英国科学雑誌「Nature Materials」のオンライン版で掲載予定である。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用」(研究総括:雨宮 慶幸 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 特任教授)における研究課題「強相関系における光・電場応答の時分割計測と非摂動型解析」(研究代表者:岡本 博 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授)(研究期間:平成28~33年度)、および、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業の一環で実施された。

<研究の背景>

電子間のクーロン反発によって電子が局在して絶縁体となったモット絶縁体状態から、電子が自由に動くことができる金属状態への相転移は、モット転移と呼ばれている。このモット転移は、さまざまな強相関電子系物質において、温度変化や圧力変化、あるいは、化学的なキャリアドーピングによって引き起こすことができるほか、銅酸化物の高温超伝導とも深いつながりがある。そのため、モット転移における電子系やスピン系、格子系の挙動を理解することは、現在の物性物理学の中心的な課題の1つとなっている。そのためには、モット絶縁体に外場を印加し、電子やスピン、格子のダイナミクスを追跡するのが有効な方法である。実際に、モット絶縁体である遷移金属化合物や有機分子性結晶に、そのエネルギーギャップよりも大きな光子エネルギーを持つフェムト秒パルスレーザー光を照射すると、キャリア(動くことができる電子)が生成され、それをきっかけにして局在していた電子が一斉に動き出して金属化すること(光誘起モット絶縁体―金属転移)が報告されている。しかし、この光誘起相転移では、パルスレーザー光の光子エネルギーが大きいことにより、余剰なエネルギーが系に放出され系の温度が上昇するため、モット転移における電子系やスピン系、格子系の変化を精密に検出することが難しいという問題があった。そこで、本研究では、光子エネルギーがエネルギーギャップよりもはるかに小さいテラヘルツパルス光によって、熱的な効果を伴わずにモット転移を実現するとともに、転移の際の電子系と格子系のダイナミクスを明らかにすることを目指した。

<研究内容と成果>

本研究の対象は、有機分子性結晶κ-(ET)Cu[N(CN)]Br注6)である(図1)。この物質は、60ケルビン(K)以下で金属になるが、ダイヤモンド基板の上に載せた薄片状の結晶は、低温にすると基板から負の圧力を受けてモット絶縁体になる。

このモット絶縁体状態にあるκ-(ET)Cu[N(CN)]Brにテラヘルツパルス光を照射し、その後の吸収スペクトルの変化をポンプ・プローブ分光法注7)という手法で調べた。その結果、テラヘルツパルス光の照射後1ピコ秒以内に赤外域(0.3エレクトロンボルト(eV)以下)の吸収が増加し、金属に転移することがわかった(図2)。次に、金属化を反映する赤外域の吸収の増加量とその時間依存性が、テラヘルツパルス光の電場強度の増加とともにどのように変化するかを精密に調べ、理論による予測と比較した。その結果、量子トンネル効果注8)によって瞬時にキャリアが生成し、それをきっかけとして約0.1ピコ秒の時間で金属化が起こることがわかった(図3)。さらに、モット絶縁体のエネルギーギャップよりも大きい光子エネルギーを持つ近赤外域のフェムト秒パルスレーザー光で引き起こされる金属化と比較すると、テラヘルツパルス光による金属化の方が転移の効率が高いこと、また、より高速に生じることが明らかとなった。近赤外域のフェムト秒パルスレーザー光で励起した場合は、励起されたキャリアが余剰なエネルギーを持つが、その多くは格子系の温度上昇に使われる。一方、テラヘルツパルス光を照射した場合は、その瞬間的な電場の効果で効率的にキャリアが生成し、金属化が引き起こされる。

<本研究の意義、今後の展望>

テラヘルツパルス光の電場成分を用いて相転移を誘起する本手法は、可視あるいは近赤外域のフェムト秒パルスレーザー光による電子励起を用いる従来の手法と比較してエネルギーの散逸が少なく、エネルギー効率に優れている。このため、高速かつ高効率の光スイッチング素子など、将来の光デバイスへの応用が期待される。また、本手法は、系の温度上昇を抑えて電子状態変化を誘起できることから、強相関電子系の相転移における電子系やスピン系、格子系のダイナミクスを追跡する新しい計測手法として非常に有望である。本研究で得られた分光計測の結果を対象に理論解析を進めることで、電場で誘起される非平衡状態の解明、さらには、相転移の物理的機構の解明につなげることができると考えられる。今後は、さらに高い強度の電場パルスを用いることによって、新しい電子相の生成や高速相転移現象の探索を進める予定である。

<参考図>

図1 κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Brの結晶構造(左)と、伝導面(ac面)の分子配列(右)

図1 κ-(ET)Cu[N(CN)]Brの結晶構造(左)と、伝導面(ac面)の分子配列(右)

右図の点線はダイマーを表している。

図2 (a)10Kにおけるκ-(ET)2Cu[N(CN)2]Brの吸収スペクトル

図2 (a)10Kにおけるκ-(ET)Cu[N(CN)]Brの吸収スペクトル

赤線が金属相、黒線がダイヤモンド基板上の絶縁体相のスペクトルである。(b)テラヘルツパルス光を照射直後の吸収変化スペクトル(橙色の○)。緑色の実線は、金属相と絶縁体相の吸収スペクトル(図(a))の差分である。挿入図は、ポンプ・プローブ測定の模式図である。

図3 テラヘルツパルス光の電場成分による絶縁体―金属転移の模式図

図3 テラヘルツパルス光の電場成分による絶縁体―金属転移の模式図

  • 左図:モット絶縁体の電子構造。伝導帯(上部ハバードバンド)と価電子帯(下部ハバードバンド)の間にエネルギーギャップ(モットギャップ)が生じている。
  • 中図:テラヘルツパルス光の電場成分によって、バンドが傾き、矢印で示すトンネル効果によってキャリアが生成する。
  • 右図:この絶縁破壊によってギャップが崩壊し、モット転移が起きる。

<用語解説>

注1) 光誘起相転移
光の照射によって固体の電子構造や結晶構造ががらりと変化する現象。代表例として、光誘起絶縁体-金属転移、光誘起反強磁性-強磁性転移などがある。通常の光誘起相転移の研究では、固体を励起する光として、エネルギーギャップよりも大きい光子エネルギーを持つ可視から近赤外域のフェムト秒パルスレーザー光が用いられている。
注2) 強相関電子系
電子間の相互作用(クーロン反発エネルギー)が大きい物質の総称。遷移金属酸化物や有機分子性物質の中に数多く存在する。強い電子間の相互作用のために金属―絶縁体転移や高温超伝導などさまざまな興味深い物性を示すことから、物性物理や物質科学の分野で盛んに研究が行われている。
注3) モット絶縁体
価電子帯が半分あるいは部分的にしか満たされていない結晶は、バンド理論からは金属となる。しかし、電子間のクーロン反発が大きいと、電子がお互いを避けるように各サイト(原子や分子)に局在し絶縁体となる。このとき、価電子帯は上部ハバードバンドと下部ハバードバンドに分裂し、エネルギーギャップが生じる(図3左)。このような絶縁体は、モット絶縁体と呼ばれる。圧力を印加してバンド幅(電子の移動し易さ)を増加したり、元素置換によってキャリア数を変化させることによって、モット絶縁体から金属への転移(モット転移)を起こすことが可能である。
注4) テラヘルツパルス光
1テラヘルツ(1THz=1012Hz)程度の周波数を持つ電磁波をテラヘルツ光と呼ぶ。1THzは光子エネルギーに換算すると約4ミリエレクトロンボルト(meV)となり、可視光の光子エネルギーの千分の一程度と非常に小さい。このテラヘルツ光は、電波と光の中間の周波数領域にあり、その発生や検出が容易でないことからこれまであまり利用されて来なかったが、近年のレーザー技術の進歩によって簡便な発生や検出の方法が確立し、物性研究にも用いられるようになってきた。特に、電場振幅が100kV/cmを超える高強度のテラヘルツパルス光の発生が可能になってきており、固体の物性を制御する新しい方法として注目されている。
注5) フェムト秒パルスレーザー光
時間幅が数フェムト秒から100フェムト秒(1フェムト秒=千兆分の1秒)程度のパルス光。可視から中赤外域まで波長を変化させることができる。本研究では、主に、分子性結晶にテラヘルツパルス光を照射したときに起こる電子構造変化を検出するための光として用いている。
注6) κ-(ET)Cu[N(CN)]Br
bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene(ET)と呼ばれる有機分子からなる分子性結晶。図1に示すように、ET分子からなる二次元伝導面(ac面)と、陰イオン(アニオン)であるCu[N(CN)]Brからなる面が交互に積層した構造を持つ。二次元伝導面では、ET分子が二量体(ダイマー)構造を形成しており、ダイマーには1つのキャリア(正孔)が存在する。この物質は、クーロン反発エネルギーとバンド幅が拮抗した状態にあるため、圧力印加やアニオンの置換、温度変化によりモット絶縁体になったり、電気抵抗の小さい金属になったり、電気抵抗がゼロである超伝導体になったりする。
注7) ポンプ・プローブ分光法
強い光(ポンプ光)を物質に照射したときに起こる物質の状態変化を、別の弱い光(プローブ光)によって検出する方法。ポンプ光とプローブ光が物質に到達するまでの時間を制御することによって、物質の状態変化を高い時間分解能で測定することができる。本研究では、テラヘルツパルス光をポンプ光に、中赤外から近赤外域のフェムト秒パルスレーザー光をプローブ光に用いている。
注8) 量子トンネル効果
古典力学的な粒子では乗り越えることのできないエネルギー障壁を、電子のような量子力学的な粒子が透過する現象。強い電場をモット絶縁体である有機分子性結晶に印加すると、図3のように伝導帯(上部ハバードバンド)と価電子帯(下部ハバードバンド)が傾き、トンネル効果によって“電子の二重占有状態(ダブロン)”と“電子がいない状態(ホロン)”の対が生成される。これは、一種の絶縁破壊であるが、このようなキャリア生成をきっかけとして電子構造変化(モット転移)が起こり、エネルギーギャップが消失して金属となる。

<論文情報>

タイトル Mott transition by an impulsive dielectric breakdown
著者名 H. Yamakawa, T. Miyamoto, T. Morimoto, T. Terashige, H. Yada, N. Kida, M. Suda, H. M. Yamamoto, R. Kato, K. Miyagawa, K. Kanoda, H. Okamoto
掲載誌 Nature Materials

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

岡本 博(オカモト ヒロシ)
東京大学 大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 教授
Tel:04-7136-3771 Fax: 04-7136-3772
E-mail:

<JST事業に関すること>

中村 幹(ナカムラ ツヨシ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
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