光物理学：原子長スケールでの全光学サブサイクル顕微鏡法

光学顕微鏡法を、可能な限り短い長さスケールと時間スケールに到達させることは、ナノスケールの基本的なダイナミクスと凝縮物質のマクロな機能性をつなぐ長年の目標である。超分解能顕微鏡法は、光学非線形性を利用することによって遠距離場回折限界を回避している。近接場顕微鏡法は、探針に閉じ込められたエバネッセント光場との線形相互作用を利用することによって、さらに高い分解能に達し、運動しているナノ世界を探索する研究分野を活気づけている。しかし、ナノメートルサイズの探針先端の半径が有限であることから、原子レベルの分解能の実現が妨げられてきた。今回我々は、探針に閉じ込められたエバネッセント場内の極端な原子非線形性を利用して、全光学顕微鏡法をピコメートルの空間分解能とフェムト秒の時間分解能へと推し進める。我々は、こうしたスケールにおいて、光のベクトルポテンシャルと同位相で、原子寸法に厳密に閉じ込められた、前例のない効率的な非古典的近接場応答を発見した。この超高速信号は、約π/2の光位相遅延を特徴としており、トンネリングダイナミクスの直接モニタリングを容易にする。我々は、原子間力顕微鏡法では隠れて見えないナノメートルサイズの欠陥の画像化と、半導体ファンデルワールス材料の電流過渡現象のサブサイクルサンプリングによって、今回の光学的概念の力を例示する。今回の結果によって、導電性量子物質と絶縁性量子物質の両方で、究極的に短い時空間スケールでの量子光–物質相互作用と電子ダイナミクスに容易にアクセスできるようになる。

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