応用物理学特別演習平成 26 年 10 月 21 日トポロジー工学研究室黄川久義 Charge Ordering in Organic ET Compounds Hitoshi Seo Institute for Solid State Physics, University of Tokyo, Minato-ku, Tokyo 106-8666 Journal of the Physical Society of Japan 69, 805 (2000) 有機ドナー分子と陰イオン分子から成る電荷移動錯体である有機導体は、単位格子が大きいことから、キャリア密度が単体金属の 1/1000 程度である。そのため、静電遮蔽が効きにくく、伝導電子間の長距離(オフサイト)クーロン相互作用の効果が期待される。その特徴的な現象が、電子が数サイトおきに局在化する電荷秩序である。電荷秩序は 1 次元有機導体 (DI-DCNQI)2Ag における NMR 測定[1]によって報告され、ドナー分子 1 つおきに電子の多い箇所ができることが観測された。これは、伝導電子間のクーロン相互作用が長距離に及び、移動積分すなわち電子の運動エネルギーを上回った際、電子が 1 つまたは数サイトおきに局在化することにより長距離クーロンエネルギーを得することと理解される。一方、2 次元系では自由度が高まり、様々な電子の配列を取ることが予想される。本論文の目的は、2 次元有機導体において発生する電荷秩序がどのような配列を取り、またその配列を決めるのはいかなる要因なのかを導き出すことである。 Seo は、実験的に電荷秩序が示唆されている θ 型、θd 型、α 型のドナー配列を持つ 2 次元有機導体に対し、移動積分 t とオンサイトクーロン相互作用 U、オフサイトクーロン相互作用 V を考慮した拡張ハバードモデルを用いて理論的に解析した。ここでは、それぞれの物質でバンド計算を行い、t の異方性を評価している。一般的に、V が t よりも大きい場合、電荷秩序が安定となる。最も簡単な電子構造を持つ θ 型のドナー配列に対して、t と V の異方性を考慮した結果、図 1 に示す電荷秩序パターンの相図を得た。図 1 では、電荷秩序パターンをドナー積層方向の移動積分 tc と V に対する相図として表している。それを見ると、電荷秩序パターンはいずれもストライプを構成し、ドナー積層方向に対し vertical (垂直)、horizontal (水平)、diagonal (斜め)の 3 つである。V が大きい場合、ストライプ内で交換エネルギーを得するため、diagonal となる。V が小さい場合、tc の増加によって vertical から horizontal へ変化する。また、似た分子配列の θd 型、α 型有機導体でもほぼ同じ関係を持つことがわかった。 [1]K. Hiraki et. al. Phys. Rev. Lett. 80, 4737 (1998) 図 1:ストライプ構造の tc-V 相図。応用物理学特別演習平成 26 年 10 月 21 日ソフトマター工学研究室小林史明 Memory function of turbulent fluctuations in soft-mode turbulence Takayuki Narumi,1,* Junichi Yoshitani,1 Masaru Suzuki,1 Yoshiki Hidaka,1,† Fahrudin Nugroho,1,2 Tomoyuki Nagaya,3 and Shoichi Kai1 1 Department of Applied Quantum Physics and Nuclear Engineering, Kyushu University, Fukuoka 8190395, Japan, 2Physics Department, Gadjah Mada University, Yogyakarta 55281, Indonesia 3 Department of Electrical and Electronic Engineering, Oita University, Oita 870-1192, Japan PHYSICAL REVIEW E 87, 012505 (2013) 負の誘電異方性を有する液晶に電圧を印加すると現れる液晶電気対流は偏光顕微鏡とビデオカメラで観測できる時空間スケールを持つため，構造ゆらぎの恰好の観測対象である. そこで, 本研究では液晶を用いて非平衡定常系の (非熱的)ゆらぎを考察する. この系においてはあるしきい値以上の電圧を印加すると規則正しい対流が不安定化し， Fig. 1 のようなソフトモード乱流と呼ばれる状態が出現する. このソフトモード乱流の時空構造を解析するためビデオカメラで撮影を行い,ゆらぎ∆𝐼(𝑥, 𝑡) = 𝐼(𝑥, 𝑡) − 〈𝐼(𝑥, 𝑡)〉 Fig. 1 ソフトモード乱流の画像に対して画像処理を行なった. ただし 𝐼(𝑥, 𝑡) は各ピクセル図のスケールバーは 100𝜇mであるの強度である. まず，ゆらぎ∆𝐼(𝑥, 𝑡)を空間でフーリエ変換し， 𝑢𝑘 (𝑡) = ∫ 𝑑𝒙∆𝐼(𝒙, 𝑡)e𝑖𝒌∙𝒙 (1) パワースペクトル 𝑃𝑘 = 〈|𝑢𝑘 (𝑡)|2 〉を求めた．その結果を Fig. 2 に示す．強度の強いリングが見られるが，これは Fig. 1 のストライプ（ロール）の間隔に対応する．次に , モード時間相関関数 𝑈𝑘 (𝜏) = 〈𝑢𝑘 (𝑡 + Fig. 2 波数空間でのパワースペクトルで矢印が対流のロール由来の特徴的長さに対応する. 𝜏)𝑢𝑘∗ (𝑡)〉𝑃𝑘−1 を計算し(Fig. 3)、ゆらぎのダイナミクスを議論した. ここで, 波数 𝑘としては対流のロール幅に対応する波数をとった. Fig. 3 において, 最小二乗法より、𝜏 が小さいときは, 赤の実線の指数関数的緩和 (a) 𝑈𝑘 (𝜏) ∝ exp [− 𝜏⁄𝜏𝑘 ] (2) 一方, 𝜏 が大きいときは, 緑の実線の代数的緩和 (e) 𝑈𝑘 (𝜏) ∝ 1 − [−𝜏/𝜏𝑘 ] 2 (3) の２つの緩和が存在することが明らかになった. Fig. 3 𝑼𝒌 (𝝉)のグラフで丸のシンボルが実験値で, 実線がフィッティングである. 応用物理学特別演習平成 25 年 10 月 21 日光量子物理学研究室里水里 Rapid generation of light beams carrying orbital angular momentum Mohammad Mirhosseini,1,*Omer S.Magana-Loaiza,1 Changchen Chen,1 Brandon Rodenburg,1 Mehul Malik,1 and Robert W.Boyd1,2 1 The Institute of Optics, University of Rochester 2 Department of Physics, University of Ottawa Optics Express 21, 30204-30211 (2013) 光渦とは 1992 年に L.Allen らによって提唱された光であり、軌道角運動量(OAM)lħ と呼ばれる離散的な値を持つことで知られる。この光渦の OAM を暗号として情報通信に用いることは、量子鍵配送システムを実現する上での主要な候補と考えられている。量子鍵配送を行う際、この OAM のスイッチング速度を上げることは、情報通信の高速化に繋がり非常に重要なことである。現在レーザー光を光渦に変換する素子としては空間位相変調器(SLM)という液晶素子が広く用いられており、SLM 上にレーザー光を入射させ、その回折光として光渦を得ている。 SLM による OAM のスイッチング速度は、SLM を構成する液晶のリフレッシュ速度によって決まり、一般的な SLM では 60Hz 程度である。著者らは SLM の代わりに Digital Micro-Mirror Device(DMD)と呼ばれる強度のみを変調する素子を用いても、強度・位相ともに高いクオリティーの光渦を発生できることを示した。DMD は液晶を用いていないため、SLM に比べて応答速度が速い。著者らは光渦の OAM 図 1 各 OAM を検出する実験系概略図を l = -5 , 0 , 5 の 3 種類においてスイッチングする実験において、切り替え速度 4 kHz を実現し、SLM を用いた場合よりも早い OAM のスイッチングができることを示した(図 1 , 2)。図2 検出した各パワーの時間変化 (l=－5 , 0, 5)