1ピコ秒の電場印加、絶縁体が金属へ瞬時に移転：省電力の光デバイス開発に道筋

新しい相転移の機構を明らかに

　東京大学大学院新領域創成科学研究科の岡本博教授らによる研究グループは2017年8月22日、有機分子性結晶にテラヘルツパルス光を1ピコ秒間照射すると、固体が絶縁体から金属へと瞬時に移転することを発見したと発表した。

　今回の研究成果は、産業技術総合研究所産総研・東大先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリー有機デバイス分光チームのラボチーム長を兼務する岡本氏の他、山川大路大学院生、宮本辰也助教および、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、須田理行助教らの研究グループによるものである。

　光誘起相転移に関する研究は近年、活発となってきた。この現象は超高速光スイッチなど、新たな光デバイスへの応用が期待されているからだ。光誘起相転移とは固体にパルス光を照射したとき、その電子構造や物性が高速に変化する現象である。特に、強相関電子系物質に属する遷移金属化合物や有機分子性結晶の中には、光誘起相転移現象が極めて高速に起こる物質が多いという。

　研究グループは今回、有機分子性結晶K-（ET）₂Cu［N（CN）₂］Brを用いた。この物質は、60K以下で金属となるが、ダイヤモンド基板上に置いた薄片状の結晶は、低温にするとモット絶縁体になるという。研究ではモット絶縁体状態にあるK-（ET）₂Cu［N（CN）₂］Brにテラヘルツパルス光を照射し、その吸収スペクトルの変化をポンプ・プローブ分光法により観察した。

左はK-（ET）₂Cu［N（CN）₂］Brの結晶構造、右は伝導面（ac面）の分子配列 出典：東京大学他

　この結果、テラヘルツパルス光を照射した後、1ピコ秒以内に赤外域（0.3eV以下）の吸収が増加し、金属に移転することが分かった。

上部は10KにおけるK-（ET）₂Cu［N（CN）₂］Brの吸収スペクトル、下部はテラヘルツパルス光を照射直後の吸収変化スペクトル（だいだい色の丸）、緑色の実線は、金属相と絶縁体相の吸収スペクトルの差分 出典：東京大学他

　テラヘルツパルス光の電場強度を増やしたとき、金属化を反映する赤外域の吸収量とその時間依存性についても調べ、理論による予測値と比較した。この結果、量子トンネル効果により瞬時にキャリアが生成され、これをきっかけに約0.1ピコ秒で金属化が起こることが分かった。しかも、近赤外域のフェムト秒パルスレーザー光を用いた金属化に比べると、テラヘルツパルス光による金属化の方が転移の効率が高く、より高速に生じることが明らかとなった。

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 出典：東京大学他

　研究グループは今回の研究成果について、高速かつ高効率の光スイッチング素子への応用などが期待できるという。さらに今後は、強度がさらに高い電場パルスを用いて、新しい電子相の生成や高速相転移現象の探索を進めていく予定である。