高次高調波でモット絶縁体が融ける過程を捉える ―強い光による電子状態変化を高次高調波のエネルギーのずれから解明―
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カテゴリ：プレスリリース｜2026年11月13日掲載
東京大学／東北大学／名古屋工業大学
ポイント
● 強い中赤外光を一次元モット絶縁体であるSr₂CuO₃に照射すると、5次以上の高次高調波が低エネルギー側へ移動すること（赤方偏移）を発見しました。
● この赤方偏移が、キャリアの生成と運動によるモット絶縁体状態の融解を反映することを示しました。
● 高次高調波を用いて、強い光による電子状態の変化を光電場の一周期より短い時間スケール（サブサイクル時間領域）で読み出す、新しい分光法への発展が期待されます。
強い中赤外光によるモット絶縁体状態の融解を高次高調波の赤方偏移として検出
概要
東京大学大学院新領域創成科学研究科の岡本博教授（研究当時）、池田良平助教（研究当時）、東北大学金属材料研究所の村上雄太准教授、名古屋工業大学物理工学類の宮本辰也准教授、産業技術総合研究所の伊藤利充博士らによる研究グループは、強い中赤外光（注1）を一次元モット絶縁体（注2）であるSr₂CuO₃に照射し、モット絶縁体が超高速に融解する過程を高次高調波（注3）の赤方偏移（注4）として捉えることに成功しました。実験では3次から15次までの奇数次高調波を観測し、約6 MV/cm（MV：メガボルト）を超える光電場で、5次以上の高調波が入射光の奇数倍に相当する位置から低エネルギー側へ移動することを見いだしました。ポンプ・プローブ反射分光（注5）により中赤外電場で生成されたキャリア（注6）の密度を評価するとともに、時間依存動的平均場理論（注7）による計算を行いました。その結果、この赤方偏移は、周期的な光電場のもとでキャリアが生成され、電子の局在が崩れて金属的な状態へ変化する光誘起相転移（注8）の過程で、電子構造が光電場の半周期ごとに変化することに起因すると分かりました。
本成果は、高次高調波分光（注3）によって、強相関物質（注9）の光誘起電子状態をサブサイクル時間領域（注10）で調べられることを示すものです。
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論文情報
雑誌名：Nature Photonics
題名：High-harmonic generation during ultrafast melting of a Mott insulating state
著者名：Ryohei Ikeda, Yuta Murakami*, Daiki Sakai, Tatsuya Miyamoto, Toshimitsu Ito, and Hiroshi Okamoto*
DOI： 10.1038/s41566-026-02031-w
URL： https://www.nature.com/articles/s41566-026-02031-w
研究助成
本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業（課題番号：JP21H04988、JP21H05017、JP24H00191、JP25K07235、JP25K17961、JP26K00648、JP26H01281、JP26K00646）、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）（課題番号：JPMJCR1661）の支援により実施されました。
用語解説
（注1）中赤外光：赤外光のうち、可視光よりも光子エネルギーが低く、分子振動や固体中の低エネルギー励起と同程度のエネルギーを持つ光。本研究では、光子エネルギー約0.26 eV（波長約4.7 µm）の中赤外光を用いた。
（注2）モット絶縁体：電子同士の強い電気的な反発（クーロン反発）のために電子が動けなくなり、通常のバンド理論では金属になると予想されるにもかかわらず絶縁体となる物質。本研究でいう『モット絶縁体の融解』は、結晶そのものが融けることではなく、電子が動きにくいモット絶縁体状態が崩れ、電子が動ける状態へ変化することを指す。
（注3）高次高調波・高次高調波分光：物質に強い光を入射したときに発生する、その入射光の整数倍の周波数を持つ光。本研究では、反転対称性を持つ物質で現れる奇数次の高調波を観測した。また、高次高調波の性質を解析し、物質中の電子状態やその変化を調べる手法を、高次高調波分光という。
（注4）赤方偏移：光のスペクトルが低エネルギー（低周波数・長波長）側へ移動すること。
（注5）ポンプ・プローブ反射分光：ポンプ光で物質の状態を変化させ、時間をずらして照射する弱いプローブ光の反射率変化から、光励起後の電子状態を調べる方法。
（注6）キャリア：物質中を移動して電荷を運ぶ電子や正孔などの総称。本研究のモット絶縁体では、光によって生成されるダブロンとホロン（注11）がキャリアに相当する。
（注7）時間依存動的平均場理論：電子同士が強く相互作用する物質の記述に長けた動的平均場理論を、時間と共に変化する状態に拡張した理論手法。局所的な電子相関を詳しく扱い、光で駆動された電子状態の時間発展を計算する。
（注8）光誘起相転移：光の照射によって物質の電子状態や物性が大きく変化し、別の相へ移行する現象。本研究では、モット絶縁体状態から金属的な状態への変化を指す。
（注9）強相関物質：電子同士の相互作用が強く、個々の電子を独立に扱う近似では性質を十分に説明できない物質。モット絶縁体はその代表例である。
（注10）サブサイクル時間領域：光電場が一回（一周期）振動する時間よりも短い時間領域。本研究で用いた中赤外光では、一周期は約16フェムト秒である。
お問い合わせ先
＜研究に関すること＞
東京大学名誉教授
岡本 博（おかもと ひろし）
現：日本大学 理工学部 物理学科 特任教授
東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻 上席研究員
TEL：03-3259-0914 E-mail：okamotoh[at]edu.k.u-tokyo.ac.jp
名古屋工業大学 物理工学類
宮本 辰也（みやもと たつや）（研究者詳細）
TEL：052-735-5384 E-mail：miyamoto.tatsuya[at]nitech.ac.jp
＜広報に関すること＞
東京大学 大学院新領域創成科学研究科 広報室
TEL：04-7136-5450 E-mail：press[at]edu.k.u-tokyo.ac.jp
東北大学 金属材料研究所 情報企画室 広報班
TEL：022-215-2144 E-mail：press.imr[at]grp.tohoku.ac.jp
名古屋工業大学 企画広報課
TEL：052-735-5647 E-mail：pr[at]adm.nitech.ac.jp
＊それぞれ[at]を@に置換してください。
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