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ナノテク情報

物性・原理

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~

 東京大学・大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 分子科学研究所(IMS)・国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は共同で2017年8月22日,東京大学大学院新領域創成科学研究科の岡本博教授らと,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らの研究グループが,モット絶縁体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(THz=1012/s)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,金属に転移することを見出したと発表した.本研究は,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」と,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.原著論文は,英国科学雑誌Nature Materialsのオンライン版に掲載された(注).

 固体物質は,電気伝導度の大小から金属と絶縁体に大別される.金属では,価電子帯の半分あるいは部分的にしか電子が満たされないため,電子は自由に結晶内を移動できる.絶縁体では,価電子帯が満たされていて電子は動けない.電子の動ける伝導帯の間にエネルギーギャップ(Eg)があり,電子は伝導帯に移動できない.一方,電子間のクーロン反発エネルギーが大きい強相関電子系の物質は,電子がお互いを避けるように原子や分子に局在し絶縁体となる(モット絶縁体,下部局在電子のエネルギー帯と上部エネルギー帯の間にモットギャップ).モット絶縁体に,Egよりも大きな光子エネルギーを持つフェムト秒(fs=10-15s)パルスレーザー光を照射すると金属化するが,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・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.

 これに対し本研究では,光子エネルギーがEgよりもはるかに小さいTHz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した.実験ではモット絶縁体として有機分子性結晶κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Br(ET: bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene)を取り上げ,THzパルス光をポンプ光として照射後に,中赤外から近赤外域のfsパルスレーザー光をプローブ光に用いて吸収スペクトルの時間変化を測定した.その結果,THzパルス光の照射後1ps(10-12秒)以内に赤外域の吸収が増加し,金属に転移することがわかった.この結果は,THzパルス光の電場によりエネルギー帯が傾き,局在電子帯から伝導帯への量子トンネル効果で絶縁破壊を引き起こし,瞬時にキャリアを生成して金属化するとの理論予測に対応する.さらに,近赤外域のfs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,THzパルス光による金属化の方が転移効率は高いこと,また,より高速に生じることも明らかとなった.

 本研究は,強力なTHzパルス光の電場成分により,効率的なモット遷移が可能であることを明らかにした.高速,かつ高効率な光スイッチなど,光デバイスへの応用が期待されるとしている.

(注) 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, "Mott transition by an impulsive dielectric breakdown", Nature Materials (2017) doi:10.1038/nmat4967; Published online 21 August 2017