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2017 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

Research Project

Project/Area Number 15H03674
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

矢花 一浩  筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (70192789)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 乙部 智仁  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員(定常) (60421442)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywords時間依存密度汎関数理論 / 第一原理計算 / 超高速ダイナミクス / レーザー科学 / アト秒科学
Outline of Annual Research Achievements

時間依存密度汎関数理論に基づく固体中の電子ダイナミクスに対する第一原理計算法を発展させ、高強度パルス光が誘電体に照射する際に起こる様々な現象を調べた。これまで開発を進めてきた計算コードをSALMON(Scalable Ab-initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience)と名付け、オープンソースソフトウェアとしてウェブサイトhttp://salmon-tddft.jpにおいて公開するとともに、コード論文を執筆し投稿した。
ダイヤモンドに高強度パルス光を入射して発生する高次高調波発生に関して、ミクロなシミュレーションをウィーン工科大学の研究グループと協力して行った。誘電体の高次高調波発生では、結晶の単位セルで計算を行うと明瞭な高調波が得られないという問題が知られている。これに対して我々は、高調波が結晶中の様々な場所で発生し伝播する効果を取り入れることで明瞭な高調波が得られることを示した。
アト秒パルスと固体の相互作用を記述するために内殻電子のダイナミクスをあらわに扱う必要が生じる。これまで我々が開発してきた一様空間格子を用いる計算手法では、局在した内殻電子軌道を記述するために非常に小さい格子間隔が必要とされていた。このため、局在原子軌道を用いた電子ダイナミクスのシミュレーション法の開発をSLACの研究者と共同で行った。
物質の誘電的性質が光の周期よりも小さい時間スケールで変化する現象として、動的フランツ・ケルディッシュ効果を調べている。これまでの解析的な理論では、電子励起を無視しており、基本振動数の偶数倍の変調が示されてきた。これを電子励起を取り入れることができるよう一般化したところ、k空間での非対称な電子分布により奇数倍の変調が生じることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

光電磁場と電子ダイナミクスの結合した新奇なシミュレーション法を発展させ、先端の光科学研究を解明する研究が順調に進展していると判断している。開発した計算コードをオープンソースソフトウェアとして公開することで、計算光科学の発展に貢献する取り組みが進んでいる。また動的フランツ・ケルディッシュ効果や高次高調波発生など、高強度パルス光と誘電体の相互作用に関する取り組みが成果を挙げている。

Strategy for Future Research Activity

我々の進める時間依存密度汎関数理論に基づく電子ダイナミクスの第一原理シミュレーション法は、数サイクルのフェムト秒パルス光を用いた超高速ダイナミクスやアト秒科学の分野において極めて有効であることが明らかになっており、さらに多様な現象の解明を目指して研究を発展させたいと考えている。
これまでは、バンドギャップが光振動数よりも大きい透明誘電体を主な対象としてきたが、これを金属と高強度パルス光の相互作用へと発展させたいと考えている。そのために、光電磁場と電子のダイナミクスを同一の空間格子を用いては記述する新たなシミュレーション法を発展させる。また電子と原子のダイナミクスを同時に扱うエーレンフェスト分子動力学計算に対する取り組みも進めたいと考えている。

  • Research Products

    (25 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 17 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ウィーン工科大学(オーストリア)

    • Country Name
      AUSTRIA
    • Counterpart Institution
      ウィーン工科大学
  • [Int'l Joint Research] SLAC(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      SLAC
  • [Journal Article] Ab initio multiscale simulation of high-order harmonic generation in solids2018

    • Author(s)
      Floss, Isabella;Lemell Christoph ; Wachter Georg; Smejkal Valerie;Sato Shunsuke ;Tong, Xiao-Min; Yabana Kazuhiro ; Burgdoerfer Joachim
    • Journal Title

      PHYSICAL REVIEW A

      Volume: 97 Pages: -

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.97.011401

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Velocity-gauge real-time TDDFT within a numerical atomic orbital basis set2018

    • Author(s)
      C. D. Pemmaraju, F. D. Vila, J. J. Kas, S. A. Sato, J. Rehr, K. Yabana, David Prendergast
    • Journal Title

      Computer Physics Communications

      Volume: 226 Pages: 30-38

    • DOI

      10.1016/j.cpc.2018.01.013

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Analytical formulation for modulation of time-resolved dynamical Franz-Keldysh effect by electron excitation in dielectrics2017

    • Author(s)
      T. Otobe
    • Journal Title

      PHYSICAL REVIEW B

      Volume: 96 Pages: 235115-1~10

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.96.235115

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] レーザー場中にある固体のアト秒応答理論2017

    • Author(s)
      乙部智仁
    • Organizer
      日本物理学会年会 シンポジウム「極短パルスコヒーレント光源が拓く固体のサブフェムト秒電子ダイナミクス」
    • Invited
  • [Presentation] 高強度超短パルスレーザーによる超高速電子応答の第一原理計算2017

    • Author(s)
      乙部智仁
    • Organizer
      第7回光科学異分野横断萌芽研究会
    • Invited
  • [Presentation] 高強度超短パルスレーザーによる超高速電子応答の第一原理計算2017

    • Author(s)
      乙部智仁
    • Organizer
      神戸大学大学院工学研究科 セミナー
    • Invited
  • [Presentation] Analytical theory for the transient absorption spectroscopy under circularly polarized laser2017

    • Author(s)
      乙部智仁
    • Organizer
      光・量子ビーム科学合同シンポジウム2017
  • [Presentation] Ab-initio calculations for energy transfer from ultrafast laser pulse to dielectrics2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      Ultrafast Bandgap Photonics II, SPIE Defence + Commercial Sensing
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] フェルミ多粒子系ダイナミクスのシミュレーション2017

    • Author(s)
      矢花一浩
    • Organizer
      「物質階層原理」第一回春合宿
    • Invited
  • [Presentation] 超短パルス光と物質の相互作用を記述する第一原理計算ー非熱レーザー加工のメカニズム解明に向けて2017

    • Author(s)
      矢花一浩
    • Organizer
      光産業創生大学院大学特別講義2017
  • [Presentation] Maxwell + TDDFT multiscale simulation for strong pulsed-light propagation in dielectrics2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      CECAM workshop on Bridging the Worlds of Electromagnetic and Quantum simulations
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ab-initio simulation for dynamics of electrons and light electromagnetic fields in dielectrics2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      NANO KOREA 2017
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Real-time TDDFT simulation for interactions of ultrashort laser pulses with solids, coupling to Maxwell’s equations2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      Telluride Science Research Center Workshop Excited States: Electronic structure and dynamics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 量子(波動)ダイナミクスの第一原理計算と光科学フロンティアへの展開2017

    • Author(s)
      矢花一浩
    • Organizer
      サイエンティフィック・システム研究会HPCフォーラム2017「計算科学の新たな可能性」
    • Invited
  • [Presentation] Real-time time-dependent density functional theory: Basics and applications2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      Surface Science Colloqium, Institute of Physics, Chinise Academy of Science
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ab-initio simulation for attosecond spectroscopy in solids2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      CSRC seminar
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 電子ダイナミクス第一原理計算と光科学への応用2017

    • Author(s)
      矢花一浩
    • Organizer
      第31回コンピュテーショナル・マテリアルズ・デザインワークショップ
    • Invited
  • [Presentation] First-principles calculations for ultrafast energy transfer from laser to solids2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      SPIE Laser Damage
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] First-principles simulation for ultrafast optical dynamics in dielectrics2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      ITCPS2017: Inter-Institutional Meeting in Interdisciplinary Theoretical and Computational Physical Sciences
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ab-initio simulations for ultrafast electron dynamics in solids2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      Ultrafast dynamics and metastability
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ab-initio density functional simulation for nano-optics2017

    • Author(s)
      Kazuhiro Yabana
    • Organizer
      CCS-EPCC Workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高強度パルス光と物質の相互作用ー第一原理計算からのアプローチー2017

    • Author(s)
      矢花一浩
    • Organizer
      「光操作の最前線」量子エレクトロニクス研究会
    • Invited
  • [Remarks] SALMON

    • URL

      http://salmon-tddft.jp/

URL: 

Published: 2018-12-17  

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