【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科物理学専攻　教授　岩井伸一郎
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 赤外光を照射した瞬間(十兆分の一秒程度)に、ナノ分極^(注1)（ナノサイズの微小な分極領域）が増強することを発見した。
• この発見は、テラヘルツ分光技術を駆使したナノ分極の検出法を発見したことにより可能になった。
• さらなる超高周波（ペタヘルツ）(5G周波数より十万倍以上も高速)の電気デバイスの動作原理となる可能性が期待できる。

【概要】

高速通信の需要が高まる中、現在のギガ（十億）ヘルツ駆動エレクトロニクスをはるかに超えるペタ（千兆）ヘルツの電子操作技術の開拓が期待されています。そのような超高周波の電子応答を可能にする量子物質（電子の量子多体効果^(注2)によって電気伝導性や磁気的性質が決まる物質）の研究が世界中で進む中、電子型強誘電体^(注3)は、誘電体メモリの材料として注目されています。東北大学大学院理学研究科の岩井伸一郎教授、伊藤弘毅助教らのグループは、有機電子型強誘電体において、物質中のナノ分極がフェムト秒光パルス^(注4)によって増強する現象を発見しました。この現象は、原理的には、ペタヘルツ応答にも追随でき、今後、アト秒スケール（5G周波数より十万倍以上も高速）の電子操作に応用することも期待できます。

この成果は米国科学雑誌「Physical Review Research (Letter)」に2021年8月13日にオンライン掲載されました。

【用語解説】

(注1) ナノ分極
分極を持つナノメートル程度の局所領域を、ここではナノ分極と呼んでいる。電子や原子によって生じた分極が多数(事実上、無限個)整列すると巨視的な強誘電分極を形成することは昔から良く知られていた。一方で近年、数個-数十個のみ整列したナノ領域(短距離秩序)が示すエキゾチック特性が注目を集めている。それらは「リラクサー強誘電性」や「Polar Nano Region」あるいは「分極のガラス状態」などと呼ばれ、世界中で精力的に研究が進められている。

(注2)量子多体効果
固体中の電子が、多数の原子間を動きまわる性質（遍歴性）は、量子力学を象徴する「量子効果」である。シリコンなどの電子デバイスに応用される通常の半導体では、その電気的な性質を理解する上で、多くの場合、多数の電子の間に働く相互作用（電子相関）を考える必要がない。（ナノ半導体のように、微小空間に電子が閉じ込められた場合には、しばしば無視できないこともある）。しかし、遷移金属化合物や有機物質の一部の物質では、電子相関が重要な役割を果たす。電子が多数存在することによって生じる効果は、量子多体効果と呼ばれ、銅酸化物における高温超伝導はその典型的な例である。

(注3)　電子型強誘電体
電子雲の変形が電気分極を形成している誘電体。通常の強誘電体は、応答速度を決める分極反転の時間スケールが、原子やイオンが動く速さによって制限される。しかし、電子型誘電体では、原子の変位は比較的小さく、主にクーロン反発による電子の偏りによって分極が形成されるので、より速い応答が可能となる。本研究で扱った物質のほか、いくつかの有機分子性化合物(α-(BEDT-TTF)₂I₃、β'-(BEDT-TTF)₂ICl₂）や遷移金属酸化物（LuFe₂O₄, YbFe₂O₄）が研究対象となっている。

(注4) フェムト秒光パルス
パルス光（カメラのフラッシュのような一瞬だけの光）を容易に発生できることはレーザーの特徴であり、光の持続時間（パルス幅）は、光周波数コム（2005年ノーベル物理学賞）やチャープパルス増幅（2018年ノーベル物理学賞）などの技術革新を経て、この40年間の間に実に千倍以上も短縮化された。現在最も一般的に用いられている短パルスレーザーのパルス幅は、100フェムト秒(10兆分の1秒)程度であり、科学技術分野において、数多くの発見（例えば、「フェムト秒分光学を用いた化学反応の遷移状態の研究」1999年度ノーベル化学賞）をもたらしただけでなく、レーザー加工やレーザー医療など社会への波及効果も大きい。近年では、光の電場振動周期の「ひとゆれ」に匹敵する極限的な短パルスの発生も可能になっている。

詳細（プレスリリース本文）

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