2015 Fiscal Year Annual Research Report
第一原理計算に基づく極限パルス光と物質の相互作用の解明
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15H03674
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
矢花 一浩 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70192789)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
乙部 智仁 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究職 (60421442)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 高強度超短パルスレーザー / 第一原理計算 / 時間依存密度汎関数理論 / アト秒科学 / レーザー加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高強度パルス光と物質の相互作用に関し、計算科学の方法を用い以下の成果を得た。強い光電場の照射中に、物質の光学的性質が高速に変化する現象として、フェムト秒の時間スケールで起こる動的Franz-Keldysh効果の解明を行った。パルス光の強度が強い時は、静的Franz-Keldysh効果が断熱的に起こるとして理解される変化が見出され、強度が減るにつれて光学的性質の変化とパルス光の間に時間差（位相差）が生じることを明らかにした。この結果は論文として発表した。さらに、欧州の実験グループと協力して、動的Franz-Keldysh効果と解釈される現象の解明を行い、近く論文にまとめる予定である。また、別の実験グループと協力して、高強度パルス光により生じる非線形分極をアト秒科学の方法を用いて計測した結果を計算結果と比較し、パルス光から物質中の電子へのエネルギー移行の解明を行った。こちらは論文にまとめ、現在投稿中である。パルス光から物質へのエネルギー移行は、レーザー加工の初期過程を解明する上で重要である。これまで行ってきたSiO_2に対する解析に加え、炭素系の材料としてグラファイトと単層グラフェンに対するエネルギー移行計算を行い、予備的な結果を得た。
高強度パルス光と物質の相互作用を記述する計算手法とコード開発も進展させた。誘電体の光応答では、物質のバンドギャップを正しく再現して計算することが、実験と比較する上で極めて重要である。メタGGA汎関数とハイブリッド汎関数を用いることで、バンドギャップを再現した計算が可能となることを示し、その方法をまとめた論文を発表した。また、計算機科学者と協力し、我々の開発する計算コードが多様なCPUコアを用いて効率的に実行できるよう、計算コードの改善を進めた。
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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
高強度パルス光と誘電体の相互作用に関し、非常に短い時間スケールで起こる動的Franz-Keldysh効果を解明し、論文にまとめるとともに、関連する現象に対し実験グループとの共同研究が進展するなど、順調に研究が進展している。また、パルス光から物質へのエネルギー移行に関して、アト秒科学の方法を用いた実験グループとの共同研究が進んでいる。計算コードの開発においても、計算機科学者との共同研究が進み、新奇なアーキテクチャを持つCPUコアを有効に利用することが可能となっている。これらのことから、研究はおおむね順調に発展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
高強度パルス光と誘電体の相互作用に関して、引き続き実験グループとの共同研究を含め、多角的に推進する方針である。動的Franz-Keldysh効果に関しては、実験結果の解析が進んでおり、次年度には論文にまとめたいと考えている。アト秒科学の方法を用いた非線形分極の解明では、当初の結果は実験と理論をまとめた論文を投稿中である。次年度は、次の展開を目指してテーマの設定を進める。またレーザ加工の初期過程に関しては、これまで解析を進めてきた１次元的なパルス光伝播に加え、多次元的な現象への展開を進めたい。そのための計算手法の改善も重要であり、推進する。
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