高強度超短パルステラヘルツ光に対するグラフェンの非線形光学応答

• Project Area: Optical science of dynamically correlated electrons in semiconductors
• Project/Area Number: 23104708
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石川 顕一 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70344025)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2012: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2011: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: グラフェン / テラヘルツ光 / 応用光学・量子光工学 / 物性理論

Outline of Annual Research Achievements

グラフェンに高強度超短パルステラヘルツ光が入射した場合の非線形応答を、時間領域で定式化し理論的に研究した。まず、先行研究において、無質量ディラックフェルミオン描像で垂直入射に対して行った定式化を、Tight-bindingモデルや斜入射の場合に拡張することに成功した。k空間での電子の動きを追跡するユニークなアプローチで、任意のパルス時間波形、偏光、入射方向に対応しており、バンド間およびバンド内ダイナミクスの動的相関を明確にすることができる。垂直入射の場合にはグラフェンブロッホ方程式の形に表せることや、斜入射の場合には、光子の運動量に起因するフォトンドラッグ効果や、電流値が場所に依存することによる電子密度の変化が、自然に含まれていることを見出した。また、電子の力学的運動量がディラック点回りの円経路をとる場合の解析解を導出した。断熱極限でのベリー位相の出現も解に含まれている。さらに、高強度シングルサイクルテラヘルツ光をグラフェンに照射すると、パルス終了後にも直流電流が残ることを見出した。これは、電子がディラック点近傍を通過する際にバンド間遷移が促進され、キャリアが生成されるためで、パルスの強度やキャリアエンベロープ位相、グラフェンのフェルミエネルギーに複雑に依存することを明らかにした。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photoelectron angular distribution and phase in two-photon single ionization of H and He by a femtosecond and attosecond extreme-ultraviolet pulse (2013)
  • Author(s): K. L. Ishikawa and K. Ueda
  • Journal Title: Appl. Sci Volume: 3 Issue: 1 Pages: 189-213
  • DOI: 10.3390/app3010189
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoelectron angular distributions for two-photon ionization of helium by ultrashort extreme ultraviolet free electron laser pulses (2013)
  • Author(s): R. Ma, K. Motomura, K. L. Ishikawa, K. Ueda et al.
  • Journal Title: J. Phys. B. Volume: ?
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic response of graphene to an ultrashort intense terahertz radiation pulse (2013)
  • Author(s): K. L. Ishikawa
  • Journal Title: New J. Phys. Volume: ?
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Attosecond cascades and time delays in one-electron photoionization (2012)
  • Author(s): S. Sukiasyan, K. L. Ishikawa, and M. Ivanov
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 86 Issue: 3 Pages: 33423-33423
  • DOI: 10.1103/physreva.86.033423
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Doubly differential diffraction at a time grating in above-thresholdionization : Intracycle and intercycle interferences (2012)
  • Author(s): D.G.Arbo, K.L.Ishikawa, et al
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchB Volume: 279 Pages: 24-30
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2011.10.030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Competition of Resonant and Nonresonant Paths in Resonance-Enhanced Two-Photon Single Ionization of He by an Ultrashort Extreme-Ultraviolet Pulse (2012)
  • Author(s): K.L.Ishikawa, K.Ueda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 108 Issue: 3 Pages: 33003-33003
  • DOI: 10.1103/physrevlett.108.033003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amplitude and Phase Reconstruction of Electron Wave Packets for Probing Ultrafast Photoionization Dynamics (2012)
  • Author(s): Kyung Taec Kim, K.L.Ishikawa, et al
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 108 Issue: 9 Pages: 93001-93001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.108.093001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] second-order autocorrelation of XUV FEL pulses via time resolved two-photon single ionization of He (2011)
  • Author(s): R.Moshammer, M.Yao, 他30名
  • Journal Title: OPTICS EXPRESS Volume: 19 Issue: 22 Pages: 21698-21706
  • DOI: 10.1364/oe.19.021698
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Ultrafast Electron Dynamics in Graphene under an Ultrashort Intense Terahertz Pulse (2012)
  • Author(s): Kenichi L. Ishikawa
  • Organizer: XVIIIth International Conference on Ultrafast Phenomena (UP2012)
  • Place of Presentation: Lausanne, Switzerland
  • Year and Date: 2012-07-08
• [Presentation] Direct Current Generation in Graphene by a Monocycle Terahertz Radiation Pulse (2012)
  • Author(s): Kenichi L. Ishikawa
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics 2012 (CLEO 2012)
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2012-05-06
• [Presentation] 高強度超短パルステラヘルツ光に対するグラフェンの非線形光学応答 (2011)
  • Author(s): 石川顕一
  • Organizer: 第5回DYCEシンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学化学研究所(京都府)
  • Year and Date: 2011-06-13
• [Presentation] 高強度超短パルステラヘルツ光に対するグラフェンの非線形光学応答 (2011)
  • Author(s): 石川顕一
  • Organizer: 第6回DYCEシンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学化学研究所(京都府)
• [Remarks] Kenichi Ishikawa
  • URL: http://ishiken.free.fr