横国大ら,THz光で操作した電子の発光測定に成功

横浜国立大学と理化学研究所は,テラヘルツ(THz)光パルスにより超高速に操作されたトンネル電子が引き金となるエネルギー変換過程を計測する,新たな分光手法の開発に成功した(ニュースリリース)。

これまで横国大では,THz光パルスと原子スケールの空間分解能を持つ走査トンネル顕微鏡(STM)を組み合わせることで,極限的な時空間領域で自在に電子を操作する技術を確立してきた。

このTHz-STM技術は局所領域の電子物性の追跡や制御を可能とすることから,世界中で研究が行なわれ始めている。しかし,従来のTHz-STMでは電子操作の結果として流れる電流を計測することしかできず,超高速で操作された電子が物質中でどのようなエネルギー変換過程を辿るのかを調べることはできなかった。

今回,研究では,横国大と理研が有する技術を巧みに融合させ,THz光パルスによって超高速に操作された電子が辿るエネルギー変換過程を発光測
定により調べた。

STMの探針と金属基板間のナノの隙間(ナノギャップ)にTHz光パルスを照射することでトンネル電子が超高速に流れる。この探針―基板間を流れるトンネル電子が有するエネルギーが,STMのナノギャップに局在するプラズモンの励起に利用される。研究では,この局在プラズモンが失活するときに生じる光を検出することで,超高速に操作された電子が辿るエネルギー変換過程を調べた。

また,実験結果と理論的な解析により,高強度のTHz光パルスがピコ秒という極めて短い時間に大量のトンネル電子を流し,その大量に流れた電子が局在プラズモンの励起に関与することを示した。

高強度なTHz光パルスを用いることで,従来のSTM発光分光法では起こりえない条件下での局在プラズモン励起を起こすことができ,新たなプラズモン誘起化学反応の実現が期待される成果を得ることもできた。

研究で開発したTHz-STM 発光分光法を発展させることで,金属・半導体・分子など様々な物質において高い時間精度で電荷注入を行ない,電荷注入が引き起こすエネルギー変換過程を極限的な時空間分解能で追跡する事が可能となるという。

エネルギー変換過程を極限的な時空間分解能で精密計測し理解することは,太陽電池などのエネルギー変換デバイスの高効率化をもたらすのはもちろんのこと,物質に新たな機能を付与すること,新規な物質合成手法を創出すること,量子系を自在に制御する技術を確立することにも繋がることから,新たな学術領域が開拓されていくとしている。

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