Development of Phase-Controlled Near Field Spectroscopy with Extremely High Spatiotemporal Resolution

具有极高时空分辨率的相控近场光谱学的发展

• 批准号: 20H05662
• 负责人: 武田 淳
• 金额: $ 121.97万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-08-31 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H05662/
• 关键词: テラヘルツ; 近接場分光; STM発光; 中赤外パルス

極限的な時空間で電子状態や帯電状態を精密制御し、物質の構造や機能を実空間・実時間で自在に操作することは、ナノ科学、材料科学分野にとって最重要課題の1つである。本研究では、位相制御した遠赤外（テラヘルツ：THz）～中赤外（MIR）パルスと走査トンネル顕微鏡（STM）を巧みに組み合わせ、原子分解能とフェムト秒の時間分解能でトンネル電流及び発光を検出できる“極限時空間分光”システムを開拓する。この技術を駆使し、単一分子発光ダイナミクスの検出と制御、半導体表面・界面の光励起キャリアや振動ダイナミクスの検出と制御、ナノスケール相変化の観測と制御を実現する。2022年度は、主に、（1）フタロシアニン（Pc）をテスト分子とした単一分子発光の検出と励起状態制御、（2）有機薄膜や原子層物質を用いた光励起キャリアのダイナミクス計測、（3）相変化材料のTHz電場駆動ナノスケール相変化の観測を行った。（1）においては、THzーSTM発光分光により世界ではじめてPc単分子の発光を検出するとともに、発光強度がTHzの位相により制御できることを見出した。（2）においては、THzおよびMIR-STMを駆使し、MoTe2や単原子層物質のキャリアダイナミクスを明らかにした。（3）においては、THz照射により、新規相変化材料Cr2Ge2Te6の表面にナノスケールでアモルファス・結晶相変化を誘起することに成功した。これらを通して、構築した極限時空間分光技術が、ナノスケールの物性観測・制御に極めて有効であることを実証した。

精确控制极端时空下的电子态和电荷态，自由操控真实时空下的材料结构和功能，是纳米科学和材料科学领域最重要的挑战之一。在这项研究中，我们巧妙地将相控远红外（太赫兹：THz）到中红外（MIR）脉冲与扫描隧道显微镜（STM）结合起来，以原子分辨率和飞秒时间分辨率检测隧道电流和发光。一个允许“极端时空光谱”的系统。充分利用该技术，我们将实现单分子发光动力学的检测与控制、半导体表面和界面光激发载流子和振动动力学的检测与控制、纳米级相变的观测与控制。 2022年，我们将主要关注（1）以酞菁（Pc）为测试分子的单分子发光和激发态控制的检测，（2）利用有机薄膜和原子层材料测量光激发载流子的动力学，（3） ) ) 我们观察到了相变材料中太赫兹电场驱动的纳米级相变。在(1)中，我们在国际上首次利用THz-STM发射光谱检测到Pc单分子的发光，并发现发光强度可以通过太赫兹相位控制。在（2）中，我们使用太赫兹和 MIR-STM 来阐明 MoTe2 和单原子层材料中的载流子动力学。在(3)中，我们通过太赫兹辐射成功地在新型相变材料Cr2Ge2Te6表面诱导了纳米级的非晶/晶相变化。通过这些努力，我们证明了所开发的极端时空光谱技术对于观察和控制纳米级物理性质非常有效。

项目成果

Dispersion measurement of an objective lens for ultrafast microscopy

超快显微镜物镜的色散测量

• DOI: 10.1364/optcon.453567
• 发表时间: 2022
• 期刊: Optics Continuum
• 作者: Keisuke Kaneshima;Takumi Minami;Takumi Kyoda;Yoshihito Tanaka
• 通讯作者: Yoshihito Tanaka

光励起中赤外STMによる時間分解トンネル電流測定

使用光激发中红外 STM 进行时间分辨隧道电流测量

• 发表时间: 2020
• 作者: 五十嵐一歩;石川 雅士;山本 祐揮;嵐田 雄介;吉田 昭二;武内 修;重川 秀実
• 通讯作者: 重川 秀実

Investigation of STM-luminescence Induced by THz-field-driven Tunneling Electrons

太赫兹场驱动隧道电子诱导的 STM 发光研究

• 发表时间: 2022
• 作者: K. Kimura;Y. Morinaga;H. Imada;I. Katayama;K. Asakawa;K. Yoshioka;Y. Kim;and J. Takeda
• 通讯作者: and J. Takeda

相変化物質 Cr2Ge2Te6における熱的ナノスケール相変化のSTM観測

STM观察相变材料Cr2Ge2Te6热纳米级相变

• 发表时间: 2022
• 作者: 金 唐逸;佐藤大輝;川村亮太;玉置 亮;草場 哲;王 吟麗;双 逸;須藤祐司;片山郁文;武田 淳
• 通讯作者: 武田 淳

Observation of Irreversible Phase-Change Processes at High Spatiotemporal Resolution

高时空分辨率下不可逆相变过程的观测

• 发表时间: 2021
• 作者: Y. Hirayama;K. Hirakawa;and H. Yamaguchi (editors);武田 淳
• 通讯作者: 武田 淳