【研究領域課題番号】20K20343 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子クエンチ / 非平衡 / 超伝導 / 電荷密度波 / 光誘起相転移 / テラヘルツ / 非線形光学応答 / 超高速分光 / 原子層物質 / 鉄系超伝導体 / 銅酸化物高温超伝導体 / 強相関電子系 / 集団励起 / スピン密度波 / ヒッグスモード

【研究成果の概要】

超伝導と電荷密度波(CDW)といった多重の秩序が競合共存する系を対象に、光学的量子クエンチの手法を用いて、新たな量子相の探究を行った。遷移金属ダイカルコゲナイド物質ではCDWの振幅モード励起を介した相転移を初めて実現した。鉄系超伝導体では、光照射により超伝導が増強することを非線形テラヘルツ分光から明瞭に実証した。ストライプ秩序を発現するLa214系銅酸化物高温超伝導体では、電荷秩序とスピン秩序、超伝導との競合・相関をダイナミクスから調べる新たな手掛かりを得た。Y123系銅酸化物高温超伝導体では光励起により平衡状態の超伝導とは異なるコヒーレントな電子状態が発現している可能性が高いことを見出した。

【研究の社会的意義】

光学的量子クエンチによる新たな物質相の探索という新しいアプローチを具現化し、遷移金属ダイカルコゲナイド物質、鉄系超伝導体、銅酸化物高温超伝導体において非熱的電子相制御に道を拓いた本研究は、非平衡物性科学の進展に大きく貢献したといえる。鉄系超伝導体の光誘起超伝導増強、銅酸化物高温超伝導体の光誘起相の解明は、その多様な基底状態、超伝導発現機構の解明にも貢献すると期待される。量子相の人為的相制御の実証は量子物質の機能応用の観点からも社会還元につながる重要な進展である。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2020-04-01 - 2021-03-31

【配分額】26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15H05452 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / テラヘルツ / 超伝導 / ヒッグス機構 / テラヘルツ分光 / ヒッグスモード

【研究成果の概要】

超伝導における秩序パラメーターの揺らぎに相当する集団励起モード、いわゆるヒッグスモードの性質を、高強度テラヘルツパルスを用いた非線形光学応答を駆使して詳細に調べた。従来型s波超伝導体の非線形テラヘルツ応答にはヒッグスモードが支配的に寄与していることを証明し、BCS平均場近似を用いるとヒッグスモードの寄与を一縷しく過小評価してしまうことを示した。また強い定常電流下においてヒッグスモードが光学活性化し線形応答においても観測されることを示した。さらに銅酸化物高温超伝導体に注目し、d波超伝導のヒッグスモードの観測に成功したほか、非平衡ジョセフソンプラズマ共鳴の解釈について新たな知見を得た。

【研究の社会的意義】

超伝導は素粒子物理と極めて高い類似性を持つことが古くから知られ、その研究の発展は物理学全体に大きな影響を及ぼしてきたが、ヒッグス粒子に相当する集団的振る舞い（ヒッグスモード）は、普遍的現象であるにも関わらずこれまでほとんど調べられていなかった。高強度テラヘルツパルスによる最先端光学測定を用いた我々の研究によって、超伝導ヒッグスモードを観測する実験が実現し、様々な超伝導体においてその性質が明らかになった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15H02102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / ヒッグスモード / 非平衡 / 超高速現象 / テラヘルツ / フェムト秒 / ジョセフソンプラズマ / 非線形光学 / 銅酸化物高温超伝導体 / 位相コヒーレンス / 光誘起相転移 / 集団励起 / 光励起 / ダイナミクス / 量子コヒーレンス / 光 / 秩序パラメータ

【研究成果の概要】

本研究は光による超伝導マクロ波動関数の制御、超伝導コヒーレンスの制御を目的として、光パルスあるいはテラヘルツ(THz)波パルスによって励起された超伝導体の非平衡ダイナミクスを解明することを目指した。特に、秩序変数の振幅振動に相当するヒッグスモード、位相の振動に相当するジョセフソンプラズマといった集団励起に注目し、その実時間計測を通して、超伝導秩序変数のダイナミクスを調べた。ヒッグスモードと光との相互作用を明らかにし、ヒッグスモードの非線形光学の基礎学理を築いた。銅酸化物高温超伝導体、マルチバンド超伝導体のヒッグスモードの観測に成功した。

【研究の社会的意義】

近年、レーザー科学の進展とともに量子物質を光で自在に制御する研究が世界的に関心を集め、研究が加速している。超伝導体は量子物質の代表であり、光誘起超伝導や量子情報応用など様々な興味が持たれている。本研究はその中でも、超伝導の秩序変数の振動であるヒッグスモードと光との直接的な相互作用の解明を目指した他に例のない研究である。本研究成果により、ヒッグスモードと光との相互作用に関する基礎学理が構築されたといえる。高温超伝導体の光誘起超伝導現象に関して、転移温度以下の光励起効果を解明し、今後の研究にとって重要な進展をもたらした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円)

【研究分野】天文学

【研究領域課題番号】14204013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

星形成 / サブミリ波 / 星間分子雲 / 銀河系 / 電波望遠鏡 / 中性炭素原子 / テラヘルツ / 超伝導 / 熱伝導

【研究成果の概要】

本研究では、銀河系星間ガスの相変化を観測的に捉えることを念頭におき、以下の2つの研究を展開した。第一は、銀河系におけるプラズマ相を窒素イオンのスペクトル線(1.46THz)でトレースするためのテラヘルツ帯HEBミクサ受信機の開発であり、第二は中性炭素原子スペクトル線を用いた原子ガス相から分子ガス相への変化、即ち、星間分子雲の形成過程の研究である。
HEBミクサ受信機の開発では、国立天文台野辺山観測所の素子製作装置群を用い、Nbを超伝導物質に用いたHEBミクサ素子の開発を行った。電子ビーム描画装置を用いて数100nmサイズのマイクロブリッジ構造をもつ素子をリフトオフ法によって製作するプロセスを確立した。製作した素子を導波管マウントに装着して800GHz帯での動作試験を行ったところ、ミクサとしての動作を確認することができた。素子製作の歩留まりが悪いという問題があるものの、テラヘルツ帯高感度受信器の要となるミクサ素子の製作に目処をつけることができたことは、大きな前進と言える。
一方、富士山頂サブミリ波望遠鏡を用いて、近傍星間分子雲における中性炭素原子のサブミリ波スペクトル線の広域観測を展開した。とくに、近傍の大質量星の輻射にさらされているブライトリム雲について、系統的な観測を行った。IC1396領域およびλOri領域の観測から、中性炭素原子の分布がおもに分子雲の化学進化によってきまっており、ブライトリムに付随する部分は僅かな寄与であることを明らかにした。他の領域の観測と併せ、中性炭素原子サブミリ波スペクトル線が星間分子雲形成を調べるよいトレーサーであることが示された。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2002 - 2005

【配分額】56,160千円 (直接経費: 43,200千円、間接経費: 12,960千円)

【研究分野】天文学

【研究領域課題番号】11304010 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

テラヘルツ / サブミリ波 / 星間分子雲 / 銀河系 / 電波望遠鏡 / 中性炭素原子 / 超伝導 / 電波天文学 / 中世炭素原子 / 星間化学

【研究成果の概要】

本研究では、富士山頂サブミリ波望遠鏡を用いて中性炭素原子のサブミリ波輝線の広域観測を実現するために、超伝導受信機の低雑音化をすすめた。その結果、492GHz帯で受信機雑音温度120K(DSB)を実現した。また、809GHz帯の受信機の開発にも成功しNbを用いたものとしては世界最高レベルの580(DSB)を実現した。その上でこれらの受信機を富士山頂サブミリ波望遠鏡に搭載して観測を行なった。
本研究によって、牡牛座分子雲、オリオン座分子雲など代表的近傍星間分子雲について中性炭素原子のサブミリ波スペクトル線(492GHz)の広域分布がかってない規模で明らかになった。また、中性炭素原子のもう一つのサブミリ波スペクトル線(809GHz)についても、オリオンKL, DR21などの代表的星形成領域においてそのスペクトルの分布を初めて明らかにした。これらにより、星間分子雲における中性炭素原子の起源が単に光解離領域によるのではなく、星間分子雲の形成、進化に深く関連していることがはじめて観測的に示された。これは、物質的な視点から星間分子雲の進化を捉える新しい方法論を提示したものと言える。
本研究は平成11年度から14年度の4年計画で立案されたが、予想よりも順調に進めることができた。そこで、最終年度前年度の平成14年に基盤研究(A)「テラヘルツ・ヘテロダインセンシングで探る銀河系星間ガスの相変化」を申請し、採択された。そのため、本研究は平成13年度をもって終了した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】33,960千円 (直接経費: 33,000千円、間接経費: 960千円)