物質・分子工学特論
森研究室
2017. 10. 31

テラヘルツ帯分光研究室
森 研究室
内容
テラヘルツ光とはテラヘルツ分光による物性研究
現在のテラヘルツ分光研究
ガラスのテラヘルツ帯普遍的励起ボゾンピーク
テラヘルツ時間領域分光装置
参加学会など2

テラヘルツ波とは

1 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 K

106

109

1012

1015

1018
f (Hz)

THz

マイクロ波
可視光
X線
ラジオ波
ラジオ波(MHz)
中赤外線
ラジオ(FM～80MHz)
光学フォノン
アマチュア無線[波長25mm-2.5mm(400～4000cm-1)]
無線呼出しボタン
近赤外線[1MHz→波長300m]
赤外線カメラ、赤外線通信、家電用リモコン
マイクロ波(GHz)-1)][波長2.5mm-0.7mm(4000～14000cm
携帯電話(プラチナバンド～800MHz)
電子レンジ(2.450GHz)
可視光線[1GHz→波長30cm]
750nm(赤)～380nm(紫)(1.5～3eV)
テラヘルツ波・遠赤外線(THz)
紫外線
室温の輻射(～6THz)
400nm～10nm(3～100eV)
光学フォノン(物質の指紋領域 )[1THz→波長0.3mm]
X線[テラヘルツ帯：0.1～100THz(1THz=4.14meV)]
波長1Å→12.5keV[波長1000mm-25mm(10～400cm-1)]

テラヘルツ波イメージングの例

3

http://www.aip.nagoya-u.ac.jp/unite/jp/detail/0000075.html

テラヘルツ波の透過性と吸収スペクトルを用いた封筒内の違法薬物検出

電子カードのテラヘルツ波透過像
上は乾燥食品（エビ、唐辛子）の可視光画像、下はそれぞれのテラヘルツ波透過像K. Kawase．THz-imaging for drug detection
and LSI inspection．Optics & Photonics News．
2004，vol. 15，issue. 10，p. 34-39．

F. Schuster et al., “A Broadband TerahertzImager in a Low-cost CMOS Technology,”
Int. Solid-State Circuits Conf. (2011).

Leaves are seen in visible
light (a) and at 0.3 GHz intransmission imaging (b).

New terahertz tuner could findapplications in security scanners.
http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/jun/12/new-tuner-could-bring-terahertz-to-the-masses

スペクトル
デザイン社HP

4

テラヘルツ帯について

1 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 K

106

109

1012

1015

1018
f (Hz)

THz

マイクロ波

ラジオ波

可視光

X線

1 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 K
フォノン構造:音響フォノンの終わり
低周波光学フォノン

電子構造:
フェルミ準位近傍ħwħw
1eVk10meVk5THz帯の様々な励起

1 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 K

106109101210151018f (Hz)Pb

5-1t = 0.71t = 0.82-1

2 [ cm ]1.5x10t = 0.88

5-1

1.0x10t = 0.95

5.0x10

0.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Frequency [THz]
T. Mori et al., PRB 77, 174515 (2008).

…

60504020t = 1.02

47K-20.0

ガラス状態: VDOSピーク, ボゾンピーク,

800-1-1-1

Superconducting
gap t = 0.52296K

0.5

1.0320 K

glassy glucose

403024/ (cm THz )5.0x10X線度波, エレクトロマグノン, …
原子振動: 大振幅非調和振動（ラットリング）,
ソフトモード, 分子間振動, …

-15

1 [ cm ]1.0x10可視光

電子構造: 超伝導ギャップ, スピン密度波, 電荷密1 ( cm )1.5x10THz

マイクロ波

ラジオ波
5Rattlingphonon1.5

2.0

 (THz)2.5

3.0

T. Mori et al., PRL 106, 015501 (2011).

2014 K

100boson peak

Boson peak
0.5

1.0

1.5

 (THz)2.0

M. Kabeya, T. Mori et al., PRB 94, 224204 (2016).

6THz分光による研究例：超伝導
1.5x105Pb T. Mori, J. P. Carbotte et al.,
PRB 77, 174515 (2008).

1.0x1055.0x104-1-1

1 [ cm ]DOS at SC
2Δ

TCが10K程のSCの場合、2Δが約0.7THzとなる。

0.0

真空蒸着装置t = 0.52

(T) / (0)Pb薄膜onサファイア

5t = 0.71
t = 0.82-11

2 [ cm ]1.5x10t = 0.88

5-1

1.0x10

BCS theory2(0)/kBTC = 3.5t = 0.95

5.0x10t = 1.02

40.0

0

0.00

T/T

10.5

1.0

1.5Frequency [THz]2.0THz分光による研究例：超伝導
1.5x105Pb

5.0x104Prof. J. P. Carbotte(McMaster Univ.)-1-11 [ cm ]1.0x105

i like this data

Superconducting
gap

Theorists love to calculate
optical conductivity!

0.0

Prof. E. J. Nicol(Guelph Univ.)t = 0.52
5t = 0.71
t = 0.82-1

2 [ cm ]1.5x10t = 0.88

5-1

1.0x10t = 0.95

5.0x10t = 1.02

40.0

0.0

0.5

1.0

1.5

Frequency [THz]2.07

8THz分光による研究例：熱電材料
ガラスの熱物性は、普遍的な温度依存性を示す（未解決問題）。

単結晶において、ガラスの熱物性が観測された（フォノンガラス）。

R. C. Zeller and R. O. Pohl, PRB (1971).
L. Gil et al., PRL 70, 182 (1993).

シリカガラスC/T3 vs T

フォノン結晶熱伝導率807K-11 ( cm )BosonPeak

熱伝導率

プラトー

60

β-BGSのTHz-TDS-1

比熱：C/T3T2

熱電材料：クラスレート

4020296K

フォノンガラス

k vs T0

K. Suekuni et al.,
PRB 77, 235119 (2008).

0.5

1.0

1.5

2.0

 (THz)2.5

3.0

T. Mori et al., PRL 106, 015501 (2011).

THz分光による研究例：熱電材料
Rattling
phonon80-1-11 ( cm )

7K
60
40
200296K

0.5

1.0

1.5

2.0

 (THz)

2.5

3.0

9

10

ボゾンピークをTHz分光で検出できる
106

M. Kabeya, T. Mori et al., PRB 94, 224204 (2016).
101210151018

109f (Hz)-2-13020/ (cm THz )

40250

10THz

マイクロ波

ラジオ波

可視光

X線

1 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 K

320 K

glassy glucose

フォノン構造:音響フォノンの終わり
低周波光学フォノン

ħw14 KBP

10meV

Boson peak
音響フォノンの終わり？

00.0

0.5

1.0

 (THz)

1.5

2.0k

11

ガラスのボゾンピーク
ガラスの物理の未解決問題：
・ガラス転移・ボゾンピーク（boson peak, BP）
テラヘルツ帯の普遍的励起.

1 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 K
Silica glassBP𝒈 𝝂
BPは 𝟐 のスペクトルに現れる.
𝝂Debye level

過剰なVDOS 𝒈(𝝂) ：結晶のデバイモデ
ルから外れた振る舞い.

結晶A. I. Chumakov et al. PRL 112, 025502 (2014).

デバイモデル : 𝑔(𝜔) ∝ 𝜔2 (3次元の場合),
𝜔
ここでは、音響フォノンが比例関係を持つと仮定している.
𝑉𝝎𝟐𝒈𝑫𝒆𝒃𝒚𝒆 𝝎 = 2 32𝜋 𝑣𝐷

デバイ周波数(𝑣𝐷: デバイ速度, 𝑉:体積)𝑘

ばねモデル、デバイモデル→振動状態密度3次元格子における状態密度12

状態密度𝒈 𝝎 : 単位体積、単位エネルギーあたりの状態数

一辺Lの立方体がN3個の基本格子を含む場合の周期的境界条件
exp[𝑖(𝑘𝑥 𝑥 + 𝑘𝑦 𝑦 + 𝑘𝑧 𝑧)] ≡ exp{𝑖 𝑘𝑥 𝑥 + 𝐿 + 𝑘𝑦 𝑦 + 𝐿 + 𝑘𝑧 𝑧 + 𝐿 }2𝜋 4𝜋2𝑚𝜋𝑘𝑥 , 𝑘𝑦 , 𝑘𝑧 = 0, ±,± ,⋯,.
𝐿𝐿𝐿
波数空間では(2π/L)3の体積に１つのモードが存在するので、半径kの球内に存在するモードは
4 3𝜋𝑘3𝑁=(2𝜋 𝐿)3デバイモデル(debye model)
𝜔 = 𝑣𝑘原子間に相互作用を取り入れた格子振動のモデル(デバイ近似)𝑉𝜔3𝑁 ≅ 2 3 , 𝑉 = 𝐿36𝜋 𝑣𝑑𝑁𝑉𝜔2𝒈 𝝎 =＝𝑑𝜔 2𝜋 2 𝑣 3wk
http://www.f-denshi.com/000okite/100tokei/debye.html#hosoku

ボゾンピークの起源 ?

131 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 Kg()/

2TA van Hove
特異点

crystal

disorderNaFeSi2O6g()/

2BP
Naケイ酸塩ガラスのBPが対応する結晶のTAvan Hove 特異点に変形していく…?

glass


A. I. Chumakov et al., PRL 106, 225501 (2011).

Data are depicted from R. Zorn, Physics 4, 44 (2011).

14

ボゾンピークの検出
BPはVDOSの異常として、テラヘルツ帯において普遍的に𝒈 𝝂 /𝝂2 のスペクトル表示に現れる.

非弾性中性子 (X線)散乱

BPg()/

2glassデバイ
レベル

G. Baldi et al.,PRL 104, 195501 (2010).

S. Kojima,
PRB 47, 2924 (1993).

低波数
ラマン散乱

BosonPeak

BP
低温比熱


Data are depicted from R. Zorn, Physics 4, 44 (2011).

BP on C/T3

BP
低温比熱
L. Gil et al., PRL 70, 182 (1993).

赤外分光でBPは検出可能か ?
非晶質物質に対して,

𝜶 𝝂 = 𝑪𝑰𝑹 𝝂 ∙ 𝒈 𝝂

近年のTHz分光研究者は, つい最近までVDOSピークをBPと勘違いしてきた.

F. L. Galeener et al., PRB 17, 1928 (1978).

𝜶 𝝂 ：吸収係数
𝑪𝐈𝐑 𝝂 ：赤外振動結合定数𝜶 𝝂𝒈 𝝂= 𝑪𝑰𝑹 𝝂 ∙ 𝟐𝟐𝝂𝝂𝜶 𝝂 /𝝂2Silica glass

BPT. Ohsaka et al., PRB 57, 4995 (1998).

15

A. Loidl et al. (2012)“STRUCTURAL GLASSES AND SUPERCOOLEDLIQUIDS”, Wiley.

テラヘルツ時間領域分光によるガラスのボゾンピーク検出

16

M. Kabeya, T. Mori et al., Phys. Rev. B 94, 224204 (2016).

1 THz = 33.3 cm-1 = 4.14 meV = 48 K

テラヘルツ時間領域分光
glassy glucose

3.7320 K

50320 Kglassy glucose

3.5-2/ (cm THz )'()3.614 K

3.4-13.3

320 K

0.5

40D–Glucose(C6H12O6 )

30

23.2

0.4

''()

𝟐𝝅 ∙ 𝜺′′ 𝝂𝜶 𝝂𝒈 𝝂= 𝟐 = 𝑪𝑰𝑹 𝝂 ∙ 𝟐𝒄∙𝒏 𝝂 ∙𝝂𝝂𝝂2014 K

boson
peak

10

0.3

014 K

0.2
0.1
0.0

0.5

1.0

1.5

 (THz)2.0

BPはα/ν2 (or ε’’/ν )のスペクトルに現れる.
0.5

1.0

1.5

 (THz)2.0

M. Kabeya, T. Mori et al., Phys. Rev. B 94, 224204 (2016).

テラヘルツ時間領域分光によるガラスのボゾンピーク検出
M. Kabeya, T. Mori et al., Phys. Rev. B 94, 224204 (2016).

/2 (cm-1THz-2)

50

320 K

glassy glucose

4030
20

14 K

boson peak100

Boson peak
0.5

1.0

1.5

 (THz)2.0

17

ボゾンピークに対し、THz光の利用の可能性は？
-2-13020

/ (cm THz )

40

250

1000.0320 K

glassy glucose

14 K

BP

THz光による
Boson peak検出0.5

新規な方法で工業的に応用利用可能？

1.0

 (THz)1.5

ボゾンピークと物性評価

2.0

高強度THz光の応用

横国大、筑波大プレスリリースより。

18

テラヘルツ時間領域分光
Terahertz time-domain spectroscopy

19

Delay stageSampleTHzemitterTHz
detector
Femtosecond
Laser
10-2Starchd = 1.457 mm300K

Starchd = 1.407 mm
300K

10-310-410-5

Reference
SampleE(w)2 (a.u.)E(t) (a.u.)

Femtosecond Laser Beam Splitter
l =780 nm
time-width < 100 fs
Repetition rate: 50 MHz
Power for emitter: ～ 10mW
THz-TDSはTHz波の電場の時間波形を記録できる。
→Kramers-Kronig変換をすることなしに複素光学定数 (屈折率, 誘電率, 伝導率)を決定できる.

Reference
Sample10-610-710-8
10-910-10
10-1110-1210-131020Time (ps)30

10-140123456Frequency (THz)78

Delay stageSampleTHzTHzemitter detector

F.S.
Laser
Beam Splitter20

光伝導アンテナ：THz波発生
光伝導アンテナ21

光パルス
J(光電流)

83fsect

LT-GaAs

光キャリアは印加電圧により流れるE

LT-GaAs(低温成長GaAs)

E∝dJ/dtt~1.5eV(780nm)

～2ps

22

光伝導アンテナ： THz波検出
光伝導アンテナ

光パルス
J(光電流)A
LT-GaAs

83fsect

光キャリアはその時通過している
THz電場により流れる検出素子は高速応答を必要とするため、キャリア寿命がサブピコ秒程度のLT-GaAsを用いる。

時間遅延を変える
t=t1→ t2
t=t2→ t3

t=t1
積算

t=t2

t=t3→ t4

t=t3

t=t4→ t5

t=t4

THz wavet=t5t1 t2 t3 t4 t5

t本研究室のTHz-TDSの特徴• 極低温（約4K）～800Kまで連続温度変化が可能。
• 温度変化測定は全自動化されている（3日間ほど全自動測定が可能）。
• 高精度スペクトル取得の目的のため、遅延ステージやプログラムを改良。
↓今後の改良点• 液体試料測定機構を構築中。
• 反射型THz-TDSを構築中。

23

ADVANTEST CORP.
高速 THz-TDS

反射法

24

１波形測定時間
8 ミリ秒 !

透過法

・反射法
・透過法
・ATR法 (AttenuatedTotal Reflectance)

ATR法

-50

0.6-60-70-80Power (dB)E-field (a.u.)

0.4
0.2
0.0-0.2-90-100-110-120-130-0.4-2

Broadband
spectrum
0.5 – 6 THz-140-10

1
2Time (ps)340246Frequency (THz)

8Copyright : ADVANTEST

参加学会
国内：・日本物理学会
・日本セラミックス協会
・応用物理学会
・高分子学会・その他、専門の研究会

25

海外：
IRMMW-THz、APS、PNCS、、、・THz分光の最大の国際学会
・アメリカ物理学会
・ガラスの物理・応用の学会
・分子分光の国際会議