高強度テラヘルツ波による遷移金属ダイカルコゲナイドの秩序変数操作と動的電子相制御

使用高强度太赫兹波的过渡金属二硫属化物的有序参数操纵和动态电子相位控制

• 批准号: 21K13860
• 负责人: 吉川 尚孝
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K13860/
• 关键词: テラヘルツ波; 遷移金属ダイカルコゲナイド; 非平衡状態; 電荷密度波; 振幅モード; ２次元物質; 超高速分光; テラヘルツ分光; 超伝導

遷移金属ダイカルコゲナイドには、電荷密度波(CDW)相に光照射をすると、電子相の高効率な非熱的融解現象や、平衡状態では出現しない隠れた秩序相への相転移といった現象が生じることが報告されており、光による電子相制御の対象として活発な研究が進められている。最近我々は、遷移金属ダイカルコゲナイドの一種である3R-TaSe2薄膜に高強度テラヘルツ(THz)波パルスを照射すると、CDW振幅モードが二光子励起され、さらに平衡状態にない絶縁体的な状態が現れることを見出した。今年度は、高強度THz波パルス照射によって平衡状態のCDW秩序がどのように抑制されていくか、その動的な融解過程のメカニズムを明らかにすることを目標に実験を行った。高強度THz波をCDW相の3R-TaSe2薄膜に照射した際の近赤外光の透過率変化のダイナミクスを調べたところ、駆動力としてのTHz波が過ぎ去った後もCDW振幅モードに由来する減衰振動が観測された。励起THz波の強度を上げていくと、一定の強度以上で急激に振動のソフトニングやダンピングの増加が顕著になっていき、最終的には振幅モードが消失する振る舞いが観測された。この実験結果は、Ginzburg-Landau(GL)モデルに基づく秩序変数の時間発展のシミュレーションで再現され、振幅モードのソフトニングがポテンシャルのピコ秒スケールでの動的な変化を反映していることを明らかにした。さらに、CDW融解に必要なTHz波による注入エネルギーの温度依存性を調べると、系をCDW転移温度まで上昇させるために必要なエネルギーより1桁以上小さく、CDWの凝集エネルギーの温度依存性とよく一致することがわかった。つまり、THz波励起によってCDWを形成する電子系とCDW形成に寄与する格子系のみに対して選択的にエネルギー注入することで、非常に高効率な非熱的電子相融解を実現したと考えられる。

在过渡金属二硫属化物中，当用光照射电荷密度波（CDW）相时，会发生电子相的高效非热熔化以及向不以平衡状态出现的隐藏有序相的相转变等现象。据报道，情况确实如此，并且作为利用光的电子相位控制的目标正在进行积极的研究。最近，我们发现，当3R-TaSe2薄膜（一种过渡金属二硫属化物）受到高强度太赫兹（THz）波脉冲照射时，CDW振幅模式是双光子激发的，并且出现类似绝缘体的结构。我发现出现了不处于平衡状态的状态。今年，我们进行了实验，目的是阐明高强度太赫兹波脉冲照射如何抑制平衡状态下的CDW有序性以及动态熔化过程的机制。当我们研究高强度太赫兹波照射到 CDW 相的 3R-TaSe2 薄膜时近红外光透过率变化的动态时，我们发现即使作为驱动力的太赫兹波通过后，衰减也会导致通过CDW振幅模式观察振动。随着激发的太赫兹波强度增加，振动软化和阻尼在一定强度以上突然变得明显，最终振幅模式消失。该实验结果在基于 Ginzburg-Landau (GL) 模型的阶次变量的时间演化模拟中得到再现，并揭示了幅度模式的软化反映了皮秒尺度上电势的动态变化。此外，当我们检查 CDW 熔化所需的太赫兹波注入能量的温度依赖性时，我们发现它比将系统提高到 CDW 转变温度所需的能量低一个数量级以上，这与CDW 内聚能的温度依赖性我发现确实如此。换句话说，通过将能量选择性地仅注入到形成CDW的电子系统和通过太赫兹波激发有助于CDW形成的晶格系统，可以实现高效的非热电子相熔化。

项目成果

高強度テラヘルツ光励起による3R-Ta1+xSe2の電荷密度波相融解のダイナミクス

高强度太赫兹光激发3R-Ta1+xSe2电荷密度波相熔化动力学

• 发表时间: 2022
• 作者: 鳴坂潮;吉川尚孝;松岡秀樹;田中勇貴;武藏摩紀;中野匡規;岩佐義宏;島野亮
• 通讯作者: 島野亮

3R-Ta1+xSe2電荷密度波相のテラヘルツ第３高調波発生

3R-Ta1+xSe2 电荷密度波相位的太赫兹三次谐波产生

• 发表时间: 2021
• 作者: 吉川尚孝;西澤邦雄;鳴坂潮;松岡秀樹;田中勇貴;中野匡規;岩佐義宏;島野亮
• 通讯作者: 島野亮

2 次元物質 3R-Ta1+xSe2の高強度テラヘルツ光励起による電荷密度波相融解ダイナミクス

二维材料 3R-Ta1+xSe2 中高强度太赫兹光激发引起的电荷密度波相熔化动力学

• 发表时间: 2022
• 作者: 鳴坂潮;吉川尚孝;松岡秀樹;田中勇貴;武藏摩紀,中野匡規;岩佐義宏;島野亮
• 通讯作者: 島野亮

Amplitude mode-driven ultrafast transition into a hidden state in a thin film of transition metal dichalcogenide

振幅模式驱动的超快过渡到过渡金属二硫属化物薄膜中的隐藏态

• DOI: 10.1117/12.2611742
• 发表时间: 2022
• 期刊: Ultrafast Phenomena and Nanophotonics XXVI
• 作者: Shimano Ryo;Yoshikawa Naotaka
• 通讯作者: Yoshikawa Naotaka

Ultrafast switching to an insulating-like metastable state by amplitudon excitation of a charge density wave

通过电荷密度波的振幅激发超快切换到类绝缘亚稳态

• DOI: 10.1038/s41567-021-01267-3
• 发表时间: 2021
• 期刊: Nature Physics
• 影响因子: 19.6
• 作者: N. Yoshikawa;H. Suganuma;H. Matsuoka;Y. Tanaka;P. Hemme;M. Cazayous;Y. Gallais;M. Nakano;Y. Iwasa;R. Shimano
• 通讯作者: R. Shimano