光で金属中の電子局在化を観測―物質の超高速制御に道：筑波大学
(2019年8月6日発表)
筑波大学は8月6日、ごく短いパルス状の光を照射することで物質内部の電子状態が超高速で変化する現象を測定することに成功したと発表した。赤外光パルスの照射によって遷移金属の一つであるチタンの光吸収特性を変えられることを確認したもので、光による物質の超高速制御の実現につながると期待している。
筑波大計算科学研究センターの佐藤駿丞助教が、ドイツのマックスプランク研究所やスイス・チューリッヒ工科大学との共同研究によって明らかにした。
原子の内部では原子核の周りを電子が取り巻いているが、金属原子の場合には電子が原子核の束縛を逃れて自由に移動、金属が電気伝導などを示す原因になっている。ただ、チタンなどの遷移金属では、一部の電子が原子核の周りの狭い領域に局在しており、高温超電導などの興味深い特性のもとになっている。そこで研究グループは、遷移金属に赤外光パルスを照射したときに物質中の電子がどのような影響を受けるのかを実験と理論の両面から探った。
実験では、厚さ50～100nm(ナノメートル、1nmは10億分の1m）のチタン薄膜に数フェムト秒（フェムトは10の15乗分の1）というパルス状の赤外光を照射した。このときに金属内部で起きる電子の状態変化を探ったところ、チタンの光吸収特性が10の18乗分の1秒単位の超高速で変化していた。さらに、チタン内部の電子の運動状態が赤外光によってどう変化するかを物質内部の極微の世界で成り立つ量子力学に基づいてスーパーコンピューターで計算、理論的に明らかにした。その結果、実験で観測された超高速な光吸収特性の変化は、光によって電子が遷移金属の周りに局在化していることなどによって起きていることが明らかになったという。
この結果について、研究グループは「光によって物質中の電子の運動を超高速制御するための基盤になる」として、さまざまな物質の性質を超高速に光で制御するための重要な一歩になるとみている。
