「ナノの光」が変わる一瞬をフェムト秒で捉える ―フォノンポラリトンの超高速制御をナノスケールで可視化―

2026-08-31 分子科学研究所

分子科学研究所・大阪公立大学などの研究チームは、六方晶窒化ホウ素(hBN)と二硫化タングステン(WS₂)のヘテロ構造において、ハイパボリックフォノンポラリトン(HPhP)の超高速な変化をナノスケールで直接可視化する技術を開発した。HPhPは赤外光と光学フォノンが結合した状態で、光を回折限界よりはるかに小さな領域に閉じ込められるが、周波数によって波長が大きく変化するため、従来はフェムト秒領域の実空間観測が困難だった。研究チームは、フェムト秒パルスレーザーと原子間力顕微鏡(AFM)を組み合わせた超高速赤外近接場光顕微鏡に回折格子による分光機構を導入。約150フェムト秒の時間分解能と約10 cm⁻¹の周波数分解能を両立した。可視光でWS₂に光キャリアを生成すると、隣接するhBN中のHPhPの電場振幅が一時的に変化し、さらにWS₂を厚くするとHPhPの波長・分散関係そのものが超高速に変化することを実空間で捉えた。将来の超高速・超小型ナノ光デバイス開発を支える基盤技術として期待される。

「ナノの光」が変わる一瞬をフェムト秒で捉える ―フォノンポラリトンの超高速制御をナノスケールで可視化―
図1(a) 超高速赤外近接場光顕微鏡の模式図。

<関連情報>

hBN/WS2ヘテロ接合における双曲線フォノンポラリトンの超高速ナノイメージングと光制御 Ultrafast Nano-imaging and Optical Control of Hyperbolic Phonon Polaritons at hBN/WS2 Heterojunctions

Kazuki Kamada;Keisuke Shinokita;Fanyu Zeng;Ryo Kitaura;Kenji Watanabe;Takashi Taniguchi;Alexander Paarmann;Masahiro Shibuta;Takashi Kumagai;Jun Nishida
Nano Letters  Published:July 27, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c02448

Abstract

Manipulating nanoscale light–matter interactions on ultrafast time scales is indispensable for future polaritonic devices. Hyperbolic phonon polaritons (HPhPs) in van der Waals materials enable deep subwavelength confinement of electromagnetic fields in the infrared region and long-distance propagation of polaritonic waves. However, achieving ultrafast imaging and optical control of HPhPs remains a major challenge. Here, we demonstrate the direct observation of transient modulation of HPhPs induced by local photocarrier generation in WS2/hBN heterostructures using ultrafast infrared scanning near-field optical microscopy. We implement grating-based spectral filtering of broadband near-field scattering to simultaneously achieve nanoscale and femtosecond spatiotemporal resolution together with fine spectral selectivity. This ultrafast nano-imaging technique reveals that photocarriers in WS2 modulate the polaritonic field amplitudes and wavelengths of HPhPs in hBN. Theoretical simulations corroborate that these changes arise from photoinduced changes in WS2 dielectric properties. This approach offers a versatile platform for exploring ultrafast polaritonic dynamics at the nanoscale.

0403電子応用
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