位相制御超短パルス列を用いた量子結合系のコヒーレンスと量子もつれの評価と制御
| Project/Area Number |
23K23252
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| Project/Area Number (Other) |
22H01984 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
中村 一隆 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (20302979)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
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| Keywords | 量子コヒーレンス / 超高速現象 / 電子コヒーレンス / デコヒーレンス / エンタングルメント / コヒーレントフォノン / フェムト秒 / コヒーレンス |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，アト秒時間スケールの精度で相対光位相を制御したフェムト秒パルス列を用いた過渡反射率計測実験と，量子理論モデル計算をあわせることで，固体物質内の電子過程を経由した量子結合系（フォノン、プラズモン、エキシトンなどの結合系）の量子コヒーレンスの保持時間や量子もつれ（エンタングルメント）を評価を行う。また，相対光位相を制御したフェムト秒パルス列を照射することで，固体中の量子系およびその結合系のコヒーレント制御を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、アト秒の時間精度で相対光位相を制御したフェムト秒パルス列を用いることで、固体物質内の電子過程を経由した量子結合系の量子コヒーレンス保持時間や量子もつれを評価、制御することである。
これまでに、n型GaAs単結晶を試料として、アト秒制度で相対位相を制御したフェムト秒パルス列を用いた過渡反射率計測で、励起パルスの相対偏光角度を45度に設定し、電子コヒーレンスの保持時間を定量的に求めることに成功した。この成果をPhysical Review B誌に投稿し、査読に応じた解析と考察を行い出版した。この研究では、電子コヒーレンス保持時間の温度依存性を計測し、10K, 90K, 290Kでそれぞれ27.8 fs, 23.0 fs, 12.9 fsと求めることができた。この温度依存性を、光誘起電子が群速度で周囲の電子と散乱するモデルで説明することができた。また理論計算や先行研究との比較から、フォノンや不純物との散乱による運動量緩和過程よりも電子電子散乱が支配的であることを明らかにした。
フォノンと電子の複合系におけるデコヒーレンス過程を、開放量子系の考えに基づきリンドブラッド型量子マスター方程式を用いて数値計算できるようにした。このモデル計算では、初期状態では電子状態とフォノン状態は積状態にあるが、光との双極子相互作用と電子フォノン相互作用を通じて、電子状態とフォノン状態のエンタングルメントが生じ、電子基底状態と電子励起状態でコヒーレントフォノン振動の様子が異なることが示された。このモデルを用いて、光共鳴条件でのコヒーレントフォノン生成における光強度依存性を計算し、電子励起状態に比べてラマン過程によって電子基底状態で生成するコヒーレントフォノン強度が低い強度で飽和に近づくことを見出した。この成果はSolid State Communicationsに出版した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度には，n-GaAsにおける、光励起された電子のバンド間の電子コヒーレンス時間を定量的に求めることができた。測定した状態は、電子フォノン複合系であり、電子コヒーレンスの保たれている時間内は光学フォノンのコヒーレンスも同時に保持されいることを確認している。このことは、電子フォノンの両方の量子コヒーレンスが固体中に保持されている時間を定量評価できていることを意味しており、本研究の大きな目的である「固体物質中の量子コヒーレンスの定量評価」が達成されている。測定された電子コヒーレンス時間の温度依存性をモデル解析することで、電子デコヒーレンス過程の主要メカニズムを明らかにすることもできている。開放量子系の考えに基づき、デコヒーレンス過程の理論計算を行ない、実験結果をよく説明することができた。この取り扱いでは、デコヒーレンスは注目する系と環境との量子エンタングルメントによって引き起こされる。光励起により電子状態とフォノン状態の量子エンタングルメントを起こしていることが示された。このことは、研究計画当初は気づいていなかったが、本研究の目的である「量子もつれ」の評価に関する研究につながった成果となっている。一方、ラマン散乱光の相関計測に関しては、モデル計測系を組んでNVダイヤモンドの計測を試みでいるが、いまだ相関計測には至っていない。
冷凍機を用いた量子井戸試料でのエキシトン計測では、二次元コヒーレント分光測定を進めており、重いエキシトンと軽いエキシトンのシグナル検出を進めている。
以上のことから、「おおむね順調に進んでいる」と評価した
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| Strategy for Future Research Activity |
電子フォノン複合系として、これまでに引き続きGaAsを対象物質とした実験と理論解析を行う。これまで行ったコヒーレントLOフォノンに加えて、フォノンとプラズモンの複合量子系におけるコヒーレント振動生成と量子コヒーレンスに関して、量子モデルを用いた理論計算とフェムト秒過渡反射率計測を用いた研究を行う。プラズモン振動数は電子密度に依存し、縦波光学(LO)フォノン振動数と近くなると、プラズモンーフォノン結合(LOPC)振動モー ドを形成する。この結合量子系のコヒーレント振動生成に関して、相互作用を持 つ2つの調和振動子系としてモデル化した理論計算を引き続き行う。相互作用は電子密度に依存するとともに、電子状態にも依存するとしたモデル化を議論する。ダイナミクスの計算では、開放量子系の観点からリンドブラッ ド型量子マスター方程式を用いた理論計算を引き続き行う。理論計算結果と実験結果との比較から、電子、フォノン、プラズモンのデコヒーレンス時間などを評価する。また、相互作用によって生成する電子―フォノン間の量子エンタングルメントについての考察を行う。この結果を国際的学術誌の投稿し 、査読等に対応して追加の計算などを行う。また、国内学会や国際会議で発表を行い、議論を深める。
エキシトン系についても、これまで行ってきた多重量子井戸を用いてコヒーレント分光(音響光変調器を用いた2次元コヒーレ ント分光)を行い、エキシトンのコヒーレンス時間や相互作用について研究を引き続き行う。特にコヒーレント分光におけるフェムト秒パルス のチャープ効果や偏光の影響を考慮した，実験と解析を行う。
本研究課題最終年度であるので、これまで蓄積された多くの実験結果の解析と理論計算との詳細な比較を行い、研究成果をまとめることに重点を置いて研究を進める。
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Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
