東大など、1兆分の1秒の電場印加で絶縁体を金属に瞬時に転移させることに成功

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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

科学技術振興機構(JST)は2017年8月22日、東京大学、分子科学研究所が共同で、テラヘルツパルス光(1テラヘルツ程度の周波数を持つ電磁場)を用いて1ピコ秒(1兆分の1秒)の間だけ強電場を印加することによって、有機分子性結晶を絶縁体から金属へ瞬時に転移させることに成功したと発表した。

同研究は、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」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ものだ。

固体にパルス光を照射した際に電子構造や物性が瞬時に変化する現象は光誘起相転移と呼ばれ、近年盛んに研究が行われている。

その中でも特に強相関電子系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ただけで光誘起相転移がピコ秒以下の高速で発生するものが数多く存在する。このため、超高速光スイッチなどの新しい光デバイスへの応用が期待されている。

今回の共同研究では、モット絶縁体と呼ばれる強相関電子系に特有に絶縁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を照射すると、その電場の効果で瞬時に絶縁破壊が生じて、金属に転移することを発見した。

またこの金属化が、従来の近赤外からの可視域のフェムト秒パルスレーザー光を照射する方法と比べて高速に起こり、金属化のエネルギー効率が高いことも明らかにした。

同研究により、テラヘルツパルス光によって、高速かつ高効率で個体の電子構造や物性が制御できることが実証され、今後、省エネルギーの光デバイスの開発につながると期待されるという。

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