Research Abstract

ビスマス単結晶中の超高速二次元原子運動の全光学的制御と可視化

固体中の原子運動を光で制御することによって、原子の基本特性をより深く理解できるが、ほとんどの研究は一次元しかあつかっていない。香月らは、この方法を2次元での制御に拡張し、これを用いてビスマスにおける原子運動を可視化した。

All-optical control and visualization of ultrafast two-dimensional atomic motions in a single crystal of bismuth

2013年11月18日 Nature Communications 4 : 2801 doi: 10.1038/ncomms3801

バルク固体では、原子運動の光学的制御によって、その物理的性質と機能性をより深く理解できる。こうした研究には、任意の方向での原子運動の能動制御と可視化が役立つと思われるが、これまでは主に一次元の制御のみがなされてきた。今回我々は、バルク固体の二次元原子運動を光学的に制御し可視化する新しい方法を実証している。我々は、フェムト秒レーザーパルスを用いて、ビスマス結晶中の直交する2つの原子運動をコヒーレントに重ね合わせた。それら2つの運動の相対振幅を、レーザーパルスの強度プロファイルを変調して操作し、こうして制御された運動を、密度汎関数理論計算によって定量的に可視化した。我々の制御–可視化方式は、あらゆる物理系において、粒子の二次元運動は直交する2つの一次元運動に分解されるというシンプルかつロバストで普遍的な概念に基づいているため、さまざまな凝縮物質系に適用できる。

香月 浩之1,2*, J.C. Delagnes1**, 穂坂 綱一1***, 石岡 邦江3, 千葉 寿1,4, E.S. Zijlstra5, M.E. Garcia5, 高橋 弘史4,6****, 渡邊 一也7, 北島 正弘8*****, 松本 吉泰7, 中村 一隆4,6 & 大森 賢治1,2,4

  1. 自然科学研究機構 分子科学研究所
  2. 総合研究大学院大学‎
  3. 物質・材料研究機構
  4. 科学技術振興機構 CREST
  5. カッセル大学(ドイツ)
  6. 東京工業大学
  7. 京都大学大学院 理学研究科
  8. 防衛大学校

    *現所属先:奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科
    **現所属先:ボルドー大学(フランス)
    ***現所属先:東京工業大学
    ****現所属先:東京理科大学
    *****現所属先:東京工業大学、筑波大学、株式会社ルクスレイ

In a bulk solid, optical control of atomic motion provides a better understanding of its physical properties and functionalities. Such studies would benefit from active control and visualization of atomic motions in arbitrary directions, yet, so far, mostly only one-dimensional control has been shown. Here we demonstrate a novel method to optically control and visualize two-dimensional atomic motions in a bulk solid. We use a femtosecond laser pulse to coherently superpose two orthogonal atomic motions in crystalline bismuth. The relative amplitudes of those two motions are manipulated by modulating the intensity profile of the laser pulse, and these controlled motions are quantitatively visualized by density functional theory calculations. Our control-visualization scheme is based on the simple, robust and universal concept that in any physical system, two-dimensional particle motion is decomposed into two orthogonal one-dimensional motions, and thus it is applicable to a variety of condensed matter systems.

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