Outline / 概要

光と物質が織りなす、未来を切り拓くサイエンス
― 超高速レーザー分光 × 量子物質科学 ―

私たちの研究室は、2025年に新設された「光物質科学」のフロンティアを切り拓く研究室です。電子・格子・スピンといった多様な素励起が織りなす物質を光照射によって非平衡状態へと励起し、物質と光の根源的な相互作用を解明する物理現象の探求を進めています。これまで、私たちは世界最高強度のテラヘルツ光源や中赤外パルス光源などの独自のレーザー分光装置を開発してきました。これらを駆使し、フェムト秒（10⁻¹⁵秒）からアト秒（10⁻¹⁸秒）にわたる時間スケールで展開される様々な素励起のダイナミクスを、精密に観測・制御する技術を確立しています。本研究は、量子エレクトロニクスや量子電磁気学といった最先端の物理分野はもちろん、超高速通信や次世代コンピューティング技術、カーボンニュートラル社会を支える新素材の開発指針など、幅広い応用の可能性を秘めています。

Our laboratory, newly established in 2025, pioneers the frontier of Optical Materials science. We investigate the fundamental physical phenomena arising from the interaction between light and matter by exciting materials—composed of diverse elementary excitations such as electrons, lattices, and spins—into nonequilibrium states through light irradiation. To advance this research, we have developed original laser spectroscopy systems, including the world’s most intense terahertz light source and mid-infrared pulse sources. Leveraging these tools, we have established techniques to precisely observe and control the dynamics of various elementary excitations across ultrafast time scales ranging from femtoseconds (10⁻¹⁵ seconds) to attoseconds (10⁻¹⁸ seconds). Our work holds immense potential not only in cutting-edge fields such as quantum electronics and quantum electrodynamics, but also in practical applications like ultrafast communication, next-generation computing technologies, and the development of novel materials that support a carbon-neutral society.

Research topic / 研究テーマ

非平衡素励起ダイナミクスの解明と制御/Investigation and Control of Nonequilibrium Elementary Excitation Dynamics

本研究では、金属メタマテリアルを用いてテラヘルツ波パルスの電場および磁場成分を増強する技術を開発し、半導体や磁性体中の電子・フォノン・スピンを駆動し新たな非線形・非平衡ダイナミクスを探索しています。最近では、1Tを超えるTHz磁場を世界で初めて実現し、磁性体中の磁気ポテンシャルを非熱的に変調し、巨視的磁化のスピンスイッチングに成功しました。この技術は、原子層状磁性材料や量子スピン系など、多様な物質への応用が可能です。

関連論文：

Nature Materials 24, 219 (2025). Nature Communications 14, 1795 (2023). Physical Review Letters 126, 077401 (2021). Physical Review Letters 121, 165702 (2018). 　 

サブサイクル量子ダイナミクス/Subcycle Quantum Dynamics

本研究では、固体中の周期ポテンシャル下における電子・正孔の超高速運動を、サブサイクル（アト秒）スケールで直接追跡し制御することを目指しています。これまで、強電場下で誘起される高次高調波発生の新たな物理機構を解明し、高調波発生効率を制御するフォトニクス技術の確立に取り組んできました。ディラック分散やラシュバスピン分裂を有するファンデルワールス単原子層材料、トポロジカル物質、さらには多様な量子スピン系や二次元磁性材料への応用展開を目指しています。本研究により、ブリルアンゾーン全域にわたる電子状態を対象とした高精度分光や、電場波形の操作による光信号処理が可能となり、光を駆動力とする量子エレクトロニクスの新たな基盤構築が期待されます。

関連論文：

APL Photonics 9, 076107 (2024). Nature Physics 18, 874 (2023). Physical Review B 106, L241201 (2022). Nature Communications 11, 3069 (2020). 

フェムト秒×原子スケールの新計測/Ultrafast Dynamics with THz-STM

固体中の非平衡量子ダイナミクスの解明は、物性物理学の最前線に位置する重要課題です。また、電気伝導、光電変換、磁性による情報保持や演算などの機能は、主に電子（キャリア）の運動に支えられており、その時空間的な変遷を精密に捉えることは応用的にも重要です。本研究では、フェムト秒の時間分解能と原子スケールの空間分解能を両立するTHz-STM（テラヘルツ走査トンネル顕微鏡）の開発に取り組んでいます。低温・強磁場環境下での動作を可能にし、トポロジカル物質や超伝導体などの量子物質への適用可能な装置を開発しています。

関連論文：

Review of Scientific Instruments 96, 043004 (2025).  ACS Photonics 8, 315 (2021). ACS Photonics 6, 1356 (2019).

量子光で紡ぐ次世代物性/Q-Light Control

THz帯の真空場をメタマテリアル共振器に閉じ込め、物質中のフォノンと真空ラビ分裂を引き起こす超強結合状態を実現を行っています。これまでに、ペロブスカイト型半導体の1THz帯にあるフォノンと強結合状態を実現し、時間領域テラヘルツ分光によってフォノン真空ラビ分裂を世界で初めて観測しました。さらに、複素誘電率の測定により、真空量子揺らぎによる電場振幅を定量化することにも成功しています。今後は、キャビティ設計や材料選択の最適化を進めることで、真空場量子光学とナノメタ技術の融合による新奇物性の創発を目指します。

関連論文：

Physical Review Research 3 , L032021 (2021).