JP6941004B2 - トンネル電流制御装置およびトンネル電流制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を制御する装置および方法に関するものである。

非特許文献１には、走査型トンネル顕微鏡（Scanning TunnellingMicroscope、ＳＴＭ）において、探針の先端と観察対象物との間の間隙にテラヘルツ波パルスを集光することで、探針の先端と観察対象物との間にトンネル電流が流れることが記載されている。このことを利用すれば、従来のようにＳＴＭにおいて探針と観察対象物との間に電圧を印加することに加えて又は替えて、探針の先端と観察対象物との間の間隙にテラヘルツ波パルスを集光することで、探針の先端と観察対象物との間にトンネル電流を流すことができ、また、観察対象物に対して相対的に探針を走査してトンネル電流を測定すれば、観察対象物の表面の構造を観察できることができる。このようなＳＴＭをＴＨｚ-ＳＴＭという。

非特許文献２には、探針の先端と観察対象物との間の間隙にテラヘルツ波パルスを集光したときに流れるトンネル電流の大きさ及び方向はテラヘルツ波パルスのキャリアエンベロープ位相（Carrier Envelope Phase、ＣＥＰ）に依存することが記載されている。この文献では、テラヘルツ波パルスの光路上に１対の球面レンズまたは１対のシリンドリカルレンズを挿入することで、テラヘルツ波パルスのＣＥＰを変更している。すなわち、１対の球面レンズおよび１対のシリンドリカルレンズの何れも挿入しない場合のテラヘルツ波パルスのＣＥＰを基準として、１対のシリンドリカルレンズを挿入することによりテラヘルツ波パルスのＣＥＰをπ／２だけシフトさせ、また、１対の球面レンズを挿入することによりテラヘルツ波パルスのＣＥＰをπだけシフトさせている。

なお、テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、ＣＥＰは、フェムト秒レーザ光パルスやテラヘルツ波パルス光等の超短パルス技術において、光パルスの振幅の時間的変化の形状（envelope）に対する該光パルス内の電場（carrier）の位相（phase）の関係を示すものである。直線偏光の光パルスのＣＥＰは、光パルスの振幅のピーク位置での電場の位相で定義される。また、円偏光の光パルスのＣＥＰは、光パルスの振幅のピーク位置での電場ベクトルの方位で定義することができる。

テラヘルツ波パルスの集光によるトンネル電流の発生を利用することにより、単一分子振動の時間分解計測が可能になることが期待され、また、半導体におけるスクリーニング効果の検証が可能になることも期待される。さらに、極微小領域におけるトンネル電流の大きさ及び方向を極めて高速に制御できることを利用すると、例えば、超高速電子制御によるトランジスタなどの電子デバイスの実現が期待され、微小領域の精密加工などの応用も期待される。

T. L. Cocker, et al., "Anultrafast terahertz scanning tunnelling microscope," Nat. Photon. 7,620 (2013). K. Yoshioka, et al., "Real-spacecoherent manipulation of electrons in a single tunnel junction by single-cycle terahertzelectric fields," Nat. Photon. 10, 762 (2016).

本発明者は、テラヘルツ波パルスの集光照射により生じるトンネル電流について更に研究を進めたところ、以下のような知見を得た。すなわち、探針の先端と観察対象物との間の間隙に集光されたテラヘルツ波パルスのＣＥＰは、意図したＣＥＰと異なる場合があり、また、その差異は探針の先端の形状に依存する。その結果、探針の先端と観察対象物との間に実際に流れるトンネル電流は、意図した値と異なる場合がある。

これらのことは、ＴＨｚ-ＳＴＭにおける探針の先端と観察対象物との間に流れるトンネル電流だけでなく、一般に第１導電性物体と第２導電性物体との間でトンネル効果により流れるトンネル電流についても同様である。

本発明は、このような本発明者の知見に基づいてなされたものであり、第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を精度よく制御することができる装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のトンネル電流制御装置は、第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を制御する装置であって、(1) テラヘルツ波パルスを発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、(2) テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、その入力したテラヘルツ波パルスのＣＥＰを調整して、そのＣＥＰ調整後のテラヘルツ波パルスを出力するＣＥＰ調整部と、(3) ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、その入力したテラヘルツ波パルスを第１導電性物体と第２導電性物体との間の間隙に集光する集光素子と、を備える。ＣＥＰ調整部は、(a) テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、そのテラヘルツ波を円偏光にして出力する円偏光パルス生成素子と、(b) 円偏光パルス生成素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたＣＥＰを有するテラヘルツ波パルスを出力する１／２波長板と、(c) １／２波長板から出力されたテラヘルツ波パルスを入力して、そのテラヘルツ波パルスを直線偏光にして出力する直線偏光パルス生成素子と、を含む。

本発明のトンネル電流制御装置は、直線偏光パルス生成素子へのテラヘルツ波パルスの入力方向に平行な軸を中心にして直線偏光パルス生成素子が回転自在であるのが好適である。

本発明のトンネル電流制御装置は、(1) 第１導電性物体と第２導電性物体との間の間隙へのテラヘルツ波パルスの１パルス照射期間に流れるトンネル電流を測定する電流測定部と、(2) 電流測定部により測定されたトンネル電流とＣＥＰ調整部におけるＣＥＰ調整量との間の関係を求める処理部と、を更に備えるのが好適である。

本発明のトンネル電流制御装置は、(1) 光パルスを出力する光源と、(2) 光源から出力された光パルスを２分岐して、その２分岐した光パルスのうちの一方をテラヘルツ波発生素子におけるテラヘルツ波パルスの発生のためのポンプ光パルスとして出力し、他方をプローブ光パルスとして出力する分岐部と、(3) ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスと、分岐部から出力されたプローブ光パルスとを入力するテラヘルツ波検出素子を含み、テラヘルツ波検出素子に入力されるテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスそれぞれのタイミングの差を掃引することにより、テラヘルツ波パルスの遠方場の電場波形を検出する遠方場電場波形検出部と、を更に備えるのが好適である。

本発明のトンネル電流制御方法は、第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を制御する方法であって、(1) テラヘルツ波発生素子によりテラヘルツ波パルスを発生し出力する発生ステップと、(2)テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力するＣＥＰ調整部により、その入力したテラヘルツ波パルスのＣＥＰを調整して、そのＣＥＰ調整後のテラヘルツ波パルスを出力するＣＥＰ調整ステップと、(3) ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する集光素子により、その入力したテラヘルツ波パルスを第１導電性物体と第２導電性物体との間の間隙に集光する集光ステップと、を含む。ＣＥＰ調整ステップにおいて、(a) テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する円偏光パルス生成素子により、そのテラヘルツ波を円偏光にして出力し、(b) 円偏光パルス生成素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力するとともに当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在である１／２波長板により、その回転方位に応じたＣＥＰを有するテラヘルツ波パルスを出力し、(c) １／２波長板から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する直線偏光パルス生成素子により、そのテラヘルツ波パルスを直線偏光にして出力する。

本発明のトンネル電流制御方法は、直線偏光パルス生成素子へのテラヘルツ波パルスの入力方向に平行な軸を中心にして直線偏光パルス生成素子を回転自在とし、１／２波長板の回転方位および直線偏光パルス生成素子の回転方位に応じたＣＥＰを有するテラヘルツ波パルスを直線偏光パルス生成素子から出力するのが好適である。

本発明のトンネル電流制御方法は、(1) 第１導電性物体と第２導電性物体との間の間隙へのテラヘルツ波パルスの１パルス照射期間に流れるトンネル電流を電流測定部により測定する電流測定ステップと、(2) 電流測定部により測定されたトンネル電流とＣＥＰ調整部におけるＣＥＰ調整量との間の関係を求める処理ステップと、を更に含む。そして、ＣＥＰ調整ステップにおいて、処理ステップにおいて求められた関係に基づいてＣＥＰ調整部におけるＣＥＰ調整量を設定するのが好適である。

本発明のトンネル電流制御方法は、(1) 光源から出力された光パルスを分岐部により２分岐して、その２分岐した光パルスのうちの一方をテラヘルツ波発生素子におけるテラヘルツ波パルスの発生のためのポンプ光パルスとして出力し、他方をプローブ光パルスとして出力する分岐ステップと、(2) ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスと、分岐部から出力されたプローブ光パルスとを入力するテラヘルツ波検出素子を含む遠方場電場波形検出部により、テラヘルツ波検出素子に入力されるテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスそれぞれのタイミングの差を掃引することにより、テラヘルツ波パルスの遠方場の電場波形を検出する遠方場電場波形検出ステップと、を更に含むのが好適である。

本発明によれば、第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を精度よく制御することができる。

図１は、トンネル電流制御装置を含むテラヘルツ波システム１の構成を示す図である。 図２は、第１構成例のＣＥＰ調整部３０Ａの構成を示す図である。 図３は、１／４波長板１１０の断面図である。 図４は、β＝０°の場合に１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 図５は、β＝４５°の場合に１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 図６は、β＝９０°の場合に１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 図７は、１／２波長板１２０の方位角αを各値に設定した場合に１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 図８は、第２構成例のＣＥＰ調整部３０Ｂの構成を示す図である。 図９は、１／４波長板１１０Ａの断面図である。 図１０は、第３構成例のＣＥＰ調整部３０Ｃの構成を示す図である。 図１１は、第４構成例のＣＥＰ調整部３０Ｄの構成を示す図である。 図１２は、テラヘルツ波パルスの１パルス照射期間にトンネル効果により移動した電子の数と、ＣＥＰ調整部３０によるＣＥＰ調整値との関係を示すグラフである。 図１３は、テラヘルツ波パルスの１パルス照射期間にトンネル効果により移動した電子の数と、ＣＥＰ調整部３０によるＣＥＰ調整値との関係を示すグラフである。 図１４は、第１導電性物体Ａとしての探針（Ｔｉｐ１〜Ｔｉｐ３）の先端部の写真である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、トンネル電流制御装置を含むテラヘルツ波システム１の構成を示す図である。本実施形態のトンネル電流制御装置は、テラヘルツ波パルスを発生し出力するテラヘルツ波発生素子２０、テラヘルツ波パルスのＣＥＰを調整するＣＥＰ調整部３０、および、テラヘルツ波パルスを第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間の間隙に集光する集光素子としての軸外し放物面鏡Ｍ７を、少なくとも備える。この図に示されるテラヘルツ波システム１は、トンネル電流制御装置の構成に加えて他の構成をも備える。

テラヘルツ波システム１は、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、テラヘルツ波発生素子２０、ＣＥＰ調整部３０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ，５３ｂ、差動増幅器５４、ロックイン増幅器５５、電流測定部６０、処理部７０、ミラーＭ１〜Ｍ６、軸外し放物面鏡Ｍ７，Ｍ８を備える。

光源１１は、一定の繰返し周期でパルス光を出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度である光パルスを出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。分岐部１２は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力された光パルスを２分岐して、その２分岐した光パルスのうち一方をポンプ光パルスとしてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光パルスとしてミラーＭ３へ出力する。

チョッパ１３は、分岐部１２とミラーＭ１との間のポンプ光パルスの光路上に設けられ、一定の周期でポンプ光パルスの通過および遮断を交互に繰り返す。分岐部１２から出力されチョッパ１３を通過したポンプ光パルスは、ミラーＭ１により反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。なお、分岐部１２からテラヘルツ波発生素子２０に到るまでのポンプ光パルスの光学系を、以下では「ポンプ光学系」という。

テラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光パルスを入力することでテラヘルツ波パルスを発生し出力する。テラヘルツ波発生素子２０は、例えば、非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）、光導電アンテナ素子（例えばＧａＡｓを用いた光スイッチ）、半導体（例えばＩｎＡｓ）および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光パルスの入射に伴って発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波パルスを発生することができる。

テラヘルツ波パルスは、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、テラヘルツ波パルスは、一定の繰返し周期で発生し、パルス幅が数ピコ秒程度である。

ＣＥＰ調整部３０は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、その入力したテラヘルツ波パルスのＣＥＰを調整して、そのＣＥＰ調整後のテラヘルツ波パルスを出力する。ＣＥＰ調整部３０の詳細については後述する。

ミラーＭ２は、ＣＥＰ調整部３０から出力されるテラヘルツ波パルスの光路上に挿入され、また、その光路から待避可能に設けられる。光路からミラーＭ２が待避しているとき、集光素子としての軸外し放物面鏡Ｍ７は、ＣＥＰ調整部３０から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、その入力したテラヘルツ波パルスを第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間の間隙に集光する。なお、この図では、第１導電性物体Ａは、第２導電性物体Ｂに対向する先端が鋭く尖っている形状を有する探針として示されている。

ミラーＭ２が光路上に挿入されているとき、ＣＥＰ調整部３０から出力されたテラヘルツ波パルスは、そのミラーＭ２により反射された後、軸外し放物面鏡Ｍ８により更に反射される。なお、このときのテラヘルツ波発生素子２０からミラーＭ２を経て軸外し放物面鏡Ｍ８の反射面に到るまでのテラヘルツ波パルスの光学系を、以下では「テラヘルツ波光学系」という。

一方、分岐部１２から出力されたプローブ光パルスは、ミラーＭ３〜Ｍ６により順次に反射され、偏光子１５を通過して、軸外し放物面鏡Ｍ８に入力される。プローブ光パルスが通過する貫通孔が軸外し放物面鏡Ｍ８に設けられており、その貫通孔を通過したプローブ光パルスは、軸外し放物面鏡Ｍ８の反射面においてテラヘルツ波パルスと合波される。すなわち、軸外し放物面鏡Ｍ８は、プローブ光パルスとテラヘルツ波パルスとを合波する合波部として作用する。なお、分岐部１２から軸外し放物面鏡Ｍ８の反射面に到るまでのプローブ光パルスの光学系を、以下では「プローブ光学系」という。

４個のミラーＭ３〜Ｍ６は光路長差調整部１４を構成している。すなわち、ミラーＭ４およびＭ５が移動することで、ミラーＭ３とミラーＭ４との間の光路長が調整されるとともに、ミラーＭ５とミラーＭ６との間の光路長が調整され、これによりプローブ光学系の光路長が調整される。すなわち、光路長差調整部１４は、分岐部１２から軸外し放物面鏡Ｍ８の反射面に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路長と、分岐部１２から軸外し放物面鏡Ｍ８の反射面に到るまでのプローブ光学系の光路長との差を、調整することができる。

軸外し放物面鏡Ｍ８は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されＣＥＰ調整部３０およびミラーＭ２を経て到達したテラヘルツ波パルスと、分岐部１２から出力されて到達したプローブ光パルスとを入力する。そして、軸外し放物面鏡Ｍ８は、これら入力したテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して、テラヘルツ波検出素子４０へ出力する。

テラヘルツ波検出素子４０は、テラヘルツ波パルスとプローブ光パルスとの間の相関（テラヘルツ波検出素子４０へのプローブ光パルスの入力タイミングにおけるテラヘルツ波パルスの電場の振幅）を検出するものである。テラヘルツ波検出素子４０は、例えば電気光学結晶および光導電アンテナ素子の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波検出素子４０が電気光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波検出素子４０は、軸外し放物面鏡Ｍ８から到達したテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波パルスの伝搬に伴いポッケルス効果により複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを出力する。このときの複屈折量はテラヘルツ波パルスの電場強度に依存するので、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光パルスの偏光状態の変化量はテラヘルツ波パルスの電場強度に依存する。

偏光分離素子５２は、例えばウォラストンプリズムである。偏光分離素子５２は、テラヘルツ波検出素子４０から出力され１／４波長板５１を経たプローブ光パルスを入力し、この入力したプローブ光パルスを互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５３ａ，５３ｂは、例えばフォトダイオードを含み、偏光分離素子５２により偏光分離されたプローブ光パルスの２つの偏光成分のパワーを検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号を差動増幅器５４へ出力する。

差動増幅器５４は、光検出器５３ａ，５３ｂそれぞれから出力された電気信号を入力し、両電気信号の値の差に応じた値を有する電気信号をロックイン増幅器５５へ出力する。ロックイン増幅器５５は、チョッパ１３におけるポンプ光パルスの通過および遮断の繰返し周波数で、差動増幅器５４から出力される電気信号を同期検出する。このロックイン増幅器５５から出力される信号は、テラヘルツ波パルスの電場強度に依存する値を有する。このようにして、テラヘルツ波パルスとプローブ光パルスとの間の相関を検出し、集光前に自由空間を伝搬する遠方場のテラヘルツ波パルスの電場波形を検出することができる。したがって、遠方場のテラヘルツ波パルスの実際のＣＥＰを検出することができる。

遠方場のテラヘルツ波パルスの電場波形は具体的には次のようにして検出される。光源１１から出力された光パルスは、分岐部１２により２分岐されてポンプ光パルスおよびプローブ光パルスとされる。分岐部１２から出力されたポンプ光パルスは、ミラーＭ１により反射されてテラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光パルスの入力に応じてテラヘルツ波パルスが発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波パルスは、ＣＥＰ調整部３０によりＣＥＰが調整され、ミラーＭ２を経て軸外し放物面鏡Ｍ８に入力される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光パルスは、ミラーＭ３〜Ｍ６により順次に反射され、偏光子１５により直線偏光とされ、軸外し放物面鏡Ｍ８に入力される。

軸外し放物面鏡Ｍ８に入力されたテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスは、軸外し放物面鏡Ｍ８により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスが入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波パルスの伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光パルスの偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光パルスの偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波パルスの電場振幅が検出される。

また、光路長差調整部１４により、テラヘルツ波検出素子４０に入力されるテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスそれぞれのタイミング差が調整される。前述したように、一般に、テラヘルツ波パルスのパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光パルスのパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波パルスと比べてプローブ光パルスのパルス幅は数桁狭い。このことから、光路長差調整部１４によりテラヘルツ波検出素子４０へのプローブ光パルスの入射タイミングが掃引されることで、テラヘルツ波パルスの電場振幅の時間波形が得られる。このようにして、遠方場のテラヘルツ波パルスの電場波形が検出され、更にはテラヘルツ波パルスの実際のＣＥＰが検出される。

電流測定部６０は、第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間の間隙へのテラヘルツ波パルスの集光によって第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間に流れるトンネル電流を測定する。このトンネル電流はパルス毎の時間積分値として得られる。例えば、テラヘルツ波パルスの或る１パルス照射期間に第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間においてトンネル効果により移動する電子の量が正方向と負方向とで互いに等しければ、その１パルス照射期間に測定されるトンネル電流は値０となる。また、後に登場する移動電子数とは、このトンネル電流値に対応するものである。

処理部７０は、ロックイン増幅器５５からの出力信号に基づき検出された遠方場のテラヘルツ波パルスの電場波形およびＣＥＰを入力する。また、処理部は、電流測定部６０により測定されたトンネル電流値を入力する。処理部７０は、ＣＥＰ調整部３０によるＣＥＰ調整の各値について得られた遠方場のテラヘルツ波パルスの電場波形およびＣＥＰならびにトンネル電流値を入力し、これらの入力データを処理する。処理例については後述する。

次に、ＣＥＰ調整部３０の第１構成例について説明する。図２は、第１構成例のＣＥＰ調整部３０Ａの構成を示す図である。第１構成例のＣＥＰ調整部３０Ａは、１／４波長板１１０、１／２波長板１２０および１／４波長板１３０を備える。

１／４波長板１１０は、入力した光パルス（テラヘルツ波パルス）を円偏光にして出力する円偏光パルス生成素子である。１／４波長板１１０は、光パルスＰ１の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。入力する光パルスＰ１が直線偏光である場合、１／４波長板１１０の高速軸（fast軸）または低速軸（slow軸）と光パルスＰ１の直線偏光の方位とがなす角度が４５°または−４５°となるように１／４波長板１１０の方位を設定することで、１／４波長板１１０は円偏光の光パルスＰ２を出力することができる。

入力する光パルスが直線偏光でない場合には、例えば、偏光子および１／４波長板を含む円偏光パルス生成素子の構成とし、先ず偏光子を用いて直線偏光にした後に、その直線偏光の光パルスを１／４波長板に入力させることで、１／４波長板から円偏光の光パルスＰ２を出力することができる。

１／２波長板１２０は、円偏光パルス生成素子である１／４波長板１１０から出力された光パルスＰ２を入力する。１／２波長板１２０は、光パルスＰ２の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在である。そして、１／２波長板１２０は、その回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスＰ３を出力する。

１／４波長板１３０は、１／２波長板１２０から出力された円偏光の光パルスＰ３を入力して、直線偏光の光パルスＰ４を出力する直線偏光パルス生成素子である。１／４波長板１３０は、光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。

１／４波長板１１０、１／２波長板１２０および１／４波長板１３０それぞれは、波長依存性が小さいものであるのが好ましい。好適には、１／４波長板１１０、１／２波長板１２０および１／４波長板１３０それぞれは、プリズム型波長板、水晶スタック型波長板、金属平板スタック型波長板などである。特に、プリズム型波長板は、材質の屈折率が一定であると見なせる波長範囲においては全ての波長の光に対して設定された位相変化を与えることができる。

図３は、１／４波長板１１０の断面図である。この図に示される１／４波長板１１０は、プリズム型波長板である。１／４波長板１１０は、光パルスＰ１の波長域において透明であって高い屈折率を有する材料からなる。光パルスＰ１がテラヘルツ波である場合、１／４波長板１１０は、テラヘルツ波の波長域で屈折率が３.４１であるシリコンからなるのが好適である。１／４波長板１１０は、入射面１１１、出射面１１２、全反射面１１３ａ〜１１３ｄおよび保持面１１４ａ〜１１４ｆを有する。

入射面１１１と出射面１１２とは互いに平行である。直線偏光の光パルスＰ１は入射面１１１に垂直に入射する。入射面１１１に入射した光パルスは、４つの全反射面１１３ａ〜１１３ｄそれぞれにおいて順次に全反射される。そして、出射面１１２から垂直に円偏光の光パルスＰ２が出射する。入射面１１１に入射する光パルスＰ１と出射面１１２から出射する光パルスＰ２とは同軸とすることができる。したがって、その軸を中心にして１／４波長板１１０を回転させても、出射面１１２から出射する光パルスＰ２の位置は変わらない。保持面１１４ａ〜１１４ｆは、光パルスの入射，全反射および出射の何れにも寄与しない面であり、１／４波長板１１０の配置や方位設定の為の支持部材が当接される面である。

全反射面１１３ａ〜１１３ｄそれぞれにおける光パルスの全反射の際にｐ偏光成分とｓ偏光成分との間に位相差が生じる。その位相差は、全反射面１１３ａ〜１１３ｄにおける光パルスの入射角θ１〜θ４、およひ、１／４波長板１１０の材料と周囲の媒質（一般には空気）との屈折率比に依存する。したがって、これらを適切に設定することで、全反射面１１３ａ〜１１３ｄそれぞれにおける光パルスの全反射の際に生じるｐ偏光成分とｓ偏光成分との間の位相差の総和をπ／２とすることができ、これにより１／４波長板を構成することができる。同様にして、１／２波長板および３／４波長板などを構成することもできる。

次に、本構成例のＣＥＰ調整部３０Ａの動作について説明するとともに、本構成例のＣＥＰ制御方法について説明する。入力する光パルスＰ１が直線偏光であるとして、その直線偏光の方位に対して、１／４波長板１１０の高速軸が４５°だけ傾いているとし、１／２波長板１２０の高速軸がα°だけ傾いているとし、１／４波長板１３０の高速軸がβ°だけ傾いているとし、また、１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位がθ°だけ傾いているとする。αおよびβは可変である。

光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心にして１／４波長板１３０を回転させて、１／４波長板１３０の方位角βを変化させると、１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θを下記（１）式に従って変化させることができる。また、１／２波長板１２０の方位角αまたは１／４波長板１３０の方位角βを変化させると、光パルスＰ４のＣＥＰ（φ_CEP）を下記（２）式に従って変化させることができる。φ_CEP0はＣＥＰの初期値である。

θ＝β−４５° …(1)
φ_CEP＝２α−β−４５°＋φ_CEP0 …(2)

図４〜図６は、１／４波長板１３０の方位角βを各値に設定した場合に１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。図４はβ＝０°の場合を示し、図５はβ＝４５°の場合を示し、図６はβ＝９０°の場合を示す。ここでは、α＝０°に固定した。これらの図は、光パルスの進行方向に直交する２軸をｘ軸およびｙ軸とし、時刻ｔに１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の光電場の振幅および方位を示す。これらの図に示されるように、１／４波長板１３０の方位角βの変化に従って、１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θが変化する。

図７は、１／２波長板１２０の方位角αを各値に設定した場合に１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。α＝０°、４５°、９０°の各値とし、β＝４５°に固定した。破線は光パルスの振幅のエンベロープを示す。この図に示されるように、１／２波長板１２０の方位角αの変化に従って、１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４のＣＥＰが変化する。

このように、本構成例では、１／４波長板１３０の方位角βの調整によって、１／４波長板１３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θを制御することができる。さらに、１／４波長板１３０の方位角βの調整に加えて１／２波長板１２０の方位角αの調整によって、光パルスＰ４のＣＥＰ（φ_CEP）を制御することができる。本構成例では、光パルスＰ４のＣＥＰを制御するために波長板を回転させるだけでよいので、簡易な構成で容易に光パルスのＣＥＰを制御することができる。

なお、入力する光パルスＰ１の直線偏光の方位に対して１／４波長板１１０の高速軸が−４５°だけ傾いていてもよいし、また、１／４波長板１１０または１／４波長板１３０に替えて３／４波長板を用いてもよい。これら何れの場合も、上記（１）式，（２）式の中の符号が異なるだけで、実質的には、入力する光パルスＰ１の直線偏光の方位に対して１／４波長板１１０の高速軸が４５°だけ傾いている上記の場合と等価である。

次に、ＣＥＰ調整部３０の第２構成例について説明する。図８は、第２構成例のＣＥＰ調整部３０Ｂの構成を示す図である。この第２構成例のＣＥＰ調整部３０Ｂは、１／４波長板１１０Ａ、１／２波長板１２０および１／４波長板１３０を備える。図２に示された第１構成例のＣＥＰ調整部３０Ａの構成と比較すると、図８に示される第２構成例のＣＥＰ調整部３０Ｂは、１／４波長板１１０に替えて１／４波長板１１０Ａを円偏光パルス生成素子として備える点で相違する。

図９は、１／４波長板１１０Ａの断面図である。この図に示される１／４波長板１１０Ａは、入射面１１１、出射面１１２、全反射面１１３ａ，１１３ｂおよび保持面１１４ａ〜１１４ｄを有する。入射面１１１と出射面１１２とは互いに平行である。直線偏光の光パルスＰ１は入射面１１１に垂直に入射する。入射面１１１に入射した光パルスは、２つの全反射面１１３ａ，１１３ｂそれぞれにおいて順次に全反射される。そして、出射面１１２から垂直に円偏光の光パルスＰ２が出射する。入射面１１１に入射する光パルスＰ１と出射面１１２から出射する光パルスＰ２とは、互いに平行にすることができるものの、同軸ではない。したがって、その軸を中心にして１／４波長板１１０Ａを回転させると、出射面１１２から出射する光パルスＰ２の位置は変化する。保持面１１４ａ〜１１４ｄは、光パルスの入射，全反射および出射の何れにも寄与しない面であり、１／４波長板１１０Ａの配置や方位設定の為の支持部材が当接される面である。

ＣＥＰ調整部３０Ｂでは、光パルスＰ１の入力方向に平行な軸を中心として１／４波長板１１０Ａを回転させることができない。しかし、光パルスＰ１の直線偏光の方位に応じて１／４波長板１１０Ａの高速軸の方位を適切に固定することで、１／４波長板１１０Ａから円偏光の光パルスＰ２を出力することができる。

第１構成例の構成と比較すると、回転できない１／４波長板１１０Ａを用いる第２構成例のＣＥＰ調整部３０Ｂは、価格、入手性および操作性の点で好ましい。

次に、ＣＥＰ調整部３０の第３構成例について説明する。図１０は、第３構成例のＣＥＰ調整部３０Ｃの構成を示す図である。この第３構成例のＣＥＰ調整部３０Ｃは、１／４波長板１１０Ａ、１／２波長板１２０および１／４波長板１３０Ａを備える。図８に示された第２構成例のＣＥＰ調整部３０Ｂの構成と比較すると、図１０に示される第３構成例のＣＥＰ調整部３０Ｃは、１／４波長板１３０に替えて１／４波長板１３０Ａを備える点で相違する。

１／４波長板１３０Ａは、前述の１／４波長板１１０Ａと同様の構成を有する。１／４波長板１３０Ａにおいても、入射面に入射する光パルスＰ３と出射面から出射する光パルスＰ４とは、互いに平行にすることができるものの、同軸ではない。したがって、その軸を中心にして１／４波長板１３０Ａを回転させると、出射面から出射する光パルスＰ４の位置は変化する。

ＣＥＰ調整部３０Ｃでは、光パルスＰ１の入力方向に平行な軸を中心として１／４波長板１１０Ａを回転させることができないだけでなく、光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心として１／４波長板１３０Ａを回転させることができない。すなわち、１／４波長板１３０Ａの方位角βは、一定値とされ、例えば４５°に固定される。この場合、１／４波長板１３０Ａから出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θは、１／４波長板１１０Ａに入力される光パルスＰ１の直線偏光の方位角と一致する。

第２構成例の構成と比較すると、回転できない１／４波長板１３０Ａを用いる第３構成例のＣＥＰ調整部３０Ｃは、価格、入手性および操作性の点で更に好ましい。

次に、ＣＥＰ調整部３０の第４構成例について説明する。図１１は、第４構成例のＣＥＰ調整部３０Ｄの構成を示す図である。第４構成例のＣＥＰ調整部３０Ｄは、１／４波長板１１０、１／２波長板１２０および偏光子１４０を備える。図２に示された第１構成例のＣＥＰ調整部３０Ａの構成と比較すると、図１１に示される第４構成例のＣＥＰ調整部３０Ｄは、１／４波長板１３０に替えて偏光子１４０を備える点で相違する。

偏光子１４０は、１／２波長板１２０から出力された円偏光の光パルスＰ３を入力し、この光パルスＰ３の特定方位の直線偏光成分を光パルスＰ４として出力する直線偏光パルス生成素子である。偏光子１４０は、光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。

入力する光パルスＰ１が直線偏光であるとして、その直線偏光の方位に対して、１／４波長板１１０の高速軸が４５°だけ傾いているとし、１／２波長板１２０の高速軸がα°だけ傾いているとし、偏光子１４０の光学軸の方位がβ°だけ傾いているとし、また、偏光子１４０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位がθ°だけ傾いているとする。αおよびβは可変である。本構成例では、θ＝βであり、偏光子１４０の光学軸の方位角βを変化させると、偏光子１４０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θを変化させることができる。また、１／２波長板１２０の方位角αまたは偏光子１４０の方位角βを変化させると、光パルスＰ４のＣＥＰを式（２）に従って変化させることができる。

本構成例では、１／４波長板と比べて安価でアライメントが容易である偏光子を用いるので、光パルスＰ４の直線偏光の方位角θおよびＣＥＰを高精度に制御することができる。また、光パルスが偏光子を通過する際の分散を小さくすることができる。

次に、処理部７０における処理例について説明する。図１２および図１３は、テラヘルツ波パルスの１パルス照射期間にトンネル効果により移動した電子の数と、ＣＥＰ調整部３０によるＣＥＰ調整値との関係を示すグラフである。これらの図は、電流測定部６０により測定されたトンネル電流値から得られた移動電子数、および、遠方場のテラヘルツ波パルスの電場波形に基づいてSimmonsモデルにより計算して得られた移動電子数を示している。図１３は、第１導電性物体Ａとして用いた３種類の探針（Ｔｉｐ１〜Ｔｉｐ３）それぞれについて、電流測定部６０により測定されたトンネル電流値から得られた移動電子数を示している。図１４は、第１導電性物体Ａとしての探針（Ｔｉｐ１〜Ｔｉｐ３）の先端部の写真である。

このように、処理部７０は、探針毎にトンネル効果による移動電子数の測定値および計算値を求めることができる。また、処理部７０は、これら移動電子数の測定値および計算値それぞれとＣＥＰ調整量との関係を求めることができる。

図１２から分かるように、電流測定部６０により測定されたトンネル電流値から得られた移動電子数と、遠方場のテラヘルツ波パルスの電場波形に基づいて計算して得られた移動電子数との間には、明らかな差異が存在することが認められる。また、図１３から分かるように、その差異は探針の形状に依存していることが認められる。

このように、第１導電性物体（探針）Ａと第２導電性物体（観察対象物）Ｂとの間の間隙に集光されたテラヘルツ波パルスのＣＥＰは、意図したＣＥＰと異なる場合があり、また、その差異は探針の先端の形状に依存する。その結果、探針の先端と観察対象物との間に実際に流れるトンネル電流は、意図した値と異なる場合がある。また、非特許文献２に記載された技術では、或る基準となるＣＥＰに対する調整量はπ／２またはπであるが、基準となるＣＥＰの値は明らかでない。

これに対して、本実施形態では、ＣＥＰ調整量を任意に設定することができるＣＥＰ調整部３０を備えていることにより、実際のトンネル電流とＣＥＰ調整部３０におけるＣＥＰ調整量との関係（図１２または図１３における測定値のグラフ）を求めることができる。この関係に基づいてＣＥＰ調整部３０におけるＣＥＰ調整量を設定することにより、所望のトンネル電流（大きさ及び方向）を得ることができる。すなわち、本実施形態では、第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を精度よく制御することができる。

以上では、本実施形態のトンネル電流制御装置について説明した。本実施形態のトンネル電流制御方法は、このトンネル電流制御装置を用いて、第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間に流れるトンネル電流を制御する。本実施形態のトンネル電流制御方法は以下のとおりである。

発生ステップにおいて、テラヘルツ波発生素子２０によりテラヘルツ波パルスを発生し出力する。次に、ＣＥＰ調整ステップにおいて、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波パルスを入力するＣＥＰ調整部３０により、その入力したテラヘルツ波パルスのＣＥＰを調整して、そのＣＥＰ調整後のテラヘルツ波パルスを出力する。そして、集光ステップにおいて、ＣＥＰ調整部３０から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する集光素子としての軸外し放物面鏡Ｍ７により、その入力したテラヘルツ波パルスを第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間の間隙に集光する。

特に、ＣＥＰ調整ステップにおいては、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する円偏光パルス生成素子である１／４波長板１１０により、そのテラヘルツ波を円偏光にして出力する。次に、１／４波長板１１０から出力されたテラヘルツ波パルスを入力するとともに当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在である１／２波長板１２０により、その回転方位に応じたＣＥＰを有するテラヘルツ波パルスを出力する。そして、１／２波長板１２０から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する直線偏光パルス生成素子である１／４波長板１３０または偏光子１４０により、そのテラヘルツ波パルスを直線偏光にして出力する。

本実施形態のトンネル電流制御方法は、電流測定ステップおよび処理ステップを更に含んでいてもよい。電流測定ステップにおいて、第１導電性物体Ａと第２導電性物体Ｂとの間の間隙へのテラヘルツ波パルスの１パルス照射期間に流れるトンネル電流を電流測定部６０により測定する。処理ステップにおいて、電流測定部６０により測定されたトンネル電流とＣＥＰ調整部３０におけるＣＥＰ調整量との間の関係を求める。そして、ＣＥＰ調整ステップにおいて、処理ステップにおいて求められた関係に基づいてＣＥＰ調整部３０におけるＣＥＰ調整量を設定する。

また、本実施形態のトンネル電流制御方法は、分岐ステップおよび遠方場電場波形検出ステップを更に含んでいてもよい。分岐ステップにおいて、光源１１から出力された光パルスを分岐部１２により２分岐して、その２分岐した光パルスのうちの一方をテラヘルツ波発生素子２０におけるテラヘルツ波パルスの発生のためのポンプ光パルスとして出力し、他方をプローブ光パルスとして出力する。遠方場電場波形検出ステップにおいて、ＣＥＰ調整部３０から出力されたテラヘルツ波パルスと、分岐部１２から出力されたプローブ光パルスとの間の相関を、テラヘルツ波検出素子４０により検出する。

１…テラヘルツ波システム、１１…光源、１２…分岐部、１３…チョッパ、１４…光路長差調整部、１５…偏光子、２０…テラヘルツ波発生素子、３０，３０Ａ〜３０Ｄ…ＣＥＰ調整部、４０…テラヘルツ波検出素子、５１…１／４波長板、５２…偏光分離素子、５３ａ，５３ｂ…光検出器、５４…差動増幅器、５５…ロックイン増幅器、６０…電流測定部、７０…処理部、１１０，１１０Ａ…１／４波長板（円偏光パルス生成素子）、１２０…１／２波長板、１３０，１３０Ａ…１／４波長板（直線偏光パルス生成素子）、１４０…偏光子（直線偏光パルス生成素子）、Ｍ１〜Ｍ６…ミラー、Ｍ７…軸外し放物面鏡（集光素子）、Ｍ８…軸外し放物面鏡、Ａ…第１導電性物体、Ｂ…第２導電性物体。

Claims (8)

1. 第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を制御する装置であって、
   テラヘルツ波パルスを発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、
   前記テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、その入力したテラヘルツ波パルスのＣＥＰを調整して、そのＣＥＰ調整後のテラヘルツ波パルスを出力するＣＥＰ調整部と、
   前記ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、その入力したテラヘルツ波パルスを前記第１導電性物体と前記第２導電性物体との間の間隙に集光する集光素子と、
   を備え、
   前記ＣＥＰ調整部は、
   前記テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、そのテラヘルツ波を円偏光にして出力する円偏光パルス生成素子と、
   前記円偏光パルス生成素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力し、当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたＣＥＰを有するテラヘルツ波パルスを出力する１／２波長板と、
   前記１／２波長板から出力されたテラヘルツ波パルスを入力して、そのテラヘルツ波パルスを直線偏光にして出力する直線偏光パルス生成素子と、
   を含む、
   トンネル電流制御装置。
2. 前記直線偏光パルス生成素子へのテラヘルツ波パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記直線偏光パルス生成素子が回転自在である、
   請求項１に記載のトンネル電流制御装置。
3. 前記第１導電性物体と前記第２導電性物体との間の間隙へのテラヘルツ波パルスの１パルス照射期間に流れるトンネル電流を測定する電流測定部と、
   前記電流測定部により測定されたトンネル電流と前記ＣＥＰ調整部におけるＣＥＰ調整量との間の関係を求める処理部と、
   を更に備える、
   請求項１または２に記載のトンネル電流制御装置。
4. 光パルスを出力する光源と、
   前記光源から出力された光パルスを２分岐して、その２分岐した光パルスのうちの一方を前記テラヘルツ波発生素子におけるテラヘルツ波パルスの発生のためのポンプ光パルスとして出力し、他方をプローブ光パルスとして出力する分岐部と、
   前記ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスと、前記分岐部から出力されたプローブ光パルスとを入力するテラヘルツ波検出素子を含み、前記テラヘルツ波検出素子に入力されるテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスそれぞれのタイミングの差を掃引することにより、テラヘルツ波パルスの遠方場の電場波形を検出する遠方場電場波形検出部と、
   を更に備える、
   請求項１〜３の何れか１項に記載のトンネル電流制御装置。
5. 第１導電性物体と第２導電性物体との間に流れるトンネル電流を制御する方法であって、
   テラヘルツ波発生素子によりテラヘルツ波パルスを発生し出力する発生ステップと、
   前記テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力するＣＥＰ調整部により、その入力したテラヘルツ波パルスのＣＥＰを調整して、そのＣＥＰ調整後のテラヘルツ波パルスを出力するＣＥＰ調整ステップと、
   前記ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する集光素子により、その入力したテラヘルツ波パルスを前記第１導電性物体と前記第２導電性物体との間の間隙に集光する集光ステップと、
   を含み、
   前記ＣＥＰ調整ステップにおいて、
   前記テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する円偏光パルス生成素子により、そのテラヘルツ波を円偏光にして出力し、
   前記円偏光パルス生成素子から出力されたテラヘルツ波パルスを入力するとともに当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在である１／２波長板により、その回転方位に応じたＣＥＰを有するテラヘルツ波パルスを出力し、
   前記１／２波長板から出力されたテラヘルツ波パルスを入力する直線偏光パルス生成素子により、そのテラヘルツ波パルスを直線偏光にして出力する、
   トンネル電流制御方法。
6. 前記直線偏光パルス生成素子へのテラヘルツ波パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記直線偏光パルス生成素子を回転自在とし、
   前記１／２波長板の回転方位および前記直線偏光パルス生成素子の回転方位に応じたＣＥＰを有するテラヘルツ波パルスを前記直線偏光パルス生成素子から出力する、
   請求項５に記載のトンネル電流制御方法。
7. 前記第１導電性物体と前記第２導電性物体との間の間隙へのテラヘルツ波パルスの１パルス照射期間に流れるトンネル電流を電流測定部により測定する電流測定ステップと、
   前記電流測定部により測定されたトンネル電流と前記ＣＥＰ調整部におけるＣＥＰ調整量との間の関係を求める処理ステップと、
   を更に含み、
   前記ＣＥＰ調整ステップにおいて、前記処理ステップにおいて求められた関係に基づいてＣＥＰ調整部におけるＣＥＰ調整量を設定する、
   請求項５または６に記載のトンネル電流制御方法。
8. 光源から出力された光パルスを分岐部により２分岐して、その２分岐した光パルスのうちの一方を前記テラヘルツ波発生素子におけるテラヘルツ波パルスの発生のためのポンプ光パルスとして出力し、他方をプローブ光パルスとして出力する分岐ステップと、
   前記ＣＥＰ調整部から出力されたテラヘルツ波パルスと、前記分岐部から出力されたプローブ光パルスとを入力するテラヘルツ波検出素子を含む遠方場電場波形検出部により、前記テラヘルツ波検出素子に入力されるテラヘルツ波パルスおよびプローブ光パルスそれぞれのタイミングの差を掃引することにより、テラヘルツ波パルスの遠方場の電場波形を検出する遠方場電場波形検出ステップと、
   を更に含む、
   請求項５〜７の何れか１項に記載のトンネル電流制御方法。

Images