Characterization and understanding of mechanical properties using high-harmonics generation of infrared pulses

Research Project

Project/Area Number	22K18322
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research Institution	Yokohama National University
Principal Investigator	片山郁文横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (80432532)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松永哲也国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (30595905) 首藤健一横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40300876) 内田健人京都大学, 理学研究科, 特定助教 (40825634)
Project Period (FY)	2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000) Fiscal Year 2024: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000) Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2022: ¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000)
Keywords	高次高調波 / 金属材料 / 軽金属 / 光学異方性 / レーザー分光 / 超高速分光 / 構造材料 / 力学特性 / 結晶異方性
Outline of Research at the Start	チタンをはじめとした金属の構造材料において、高次高調波発生過程を利用した電子状態評価手法を確立し、その原理を理論・実験の両面から解明する。さらに本手法を、力学試験装置や顕微分光装置と組み合わせることにより、電子状態と力学特性との相関を解明する。
Outline of Annual Research Achievements	令和4年度は、Ti系材料における高次高調波の起源を探るために、赤外光を照射した際の3次高調波、5次高調波の角度依存性について、清書実験を行った。また、第一原理計算によってTiのバンド構造を計算した上で、光電場で駆動した場合の誘起電流を計算し、その角度依存性を調べた。その結果、バンド内の電流のみでは、観測された高次高調波の異方性を再現できないことが分かった。この結果は、観測された高次高調波が、バンド間遷移に基づくものである可能性を示唆している。さらに、Ti系材料の高調波発生を系統的に明らかにするために、Alを添加した試料についても高次高調波発生を調べた。その結果、Al添加量が増えるにしたがって高次高調波の異方性が小さくなることが分かった。これは、力学特性の異方性が、Al添加によって当方的なものに近づくことと符合している。したがって、電子状態と力学特性の異方性の間に相関があることを示唆している。また、高調波発生の角度依存性に、光学応答の異方性が寄与する可能性があることから、線形の光学応答についてもフーリエ変換赤外分光法と、赤外エリプソメトリー法によって異方性を計測することを試みた。Drude-Lorentz式を用いることで、赤外領域の誘電率を明らかにすることができ、これによって高次高調波の異方性を定量的に評価できるものと考えられる。今後は、このような光学特性の異方性をAlドープ試料等についても調べるとともに、エリプソメトリーの結果を解析し高調波発生をモデル化し、その理解を深めることを目指す。また、Snドープなどとも比較して、力学特性との相関とその普遍性を調べる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 様々な分光手法を組み合わせることで、Ti系金属の光学異方性に関する重要な知見を得ることができた。この結果は、材料科学の研究者による粗大粒結晶の作成が重要な寄与をしている。文献を調査した限りでは、チタンの線形光学定数の異方性ですら、正確な情報が不足しており、線形光学定数の異方性に関する情報のみでも新しい知見を有しているものと考えられる。今後、高次高調波発生との相関を調べ、結果を論文化することによって、電子状態の異方性に関する知見を確立し、力学特性との相関に関する知見を蓄積してゆくことができるものと考えられる。よって、おおむね順調に進展していると評価した。
Strategy for Future Research Activity	これまでの研究により、電子状態の異方性がどのように光学応答の異方性に影響を与えるかを明らかにすることができた。線形応答から、3次、5次の応答まで、実験的には明らかにすることができ、その起源についても知見を得ることができている。今後はまず、これらの得られた成果を論文化するとともに、力学特性との相関を明らかにする実験に向けた準備を進める。特にAlドープとは異なる形で異方性が消失するSnドープや、Niなど他の物質についても同様の光学異方性に関する知見を獲得することを目指す。そのために、次年度に使用するための多結晶試料を育成する。また、異方性の結晶方位に対する依存性を定量的に評価するために、結晶軸方向と3次、5次の非線型光学過程の大きさから偏光依存性を推定するための解析手法を確立することを目指す。これらを通して、Ti系材料の力学異方性を電子状態から理解するための基礎としたい。