2016 Fiscal Year Research-status Report

ナノアンテナ構造を用いた時空間制御された紫外域周波数もつれパルス生成の理論

Research Project

Project/Area Number	15K04692
Research Institution	Niigata University
Principal Investigator	岡寿樹新潟大学, 研究推進機構, 准教授 (00508806)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords	量子もつれ / 局在表面プラズモン / 共振器QED効果 / ナノアンテナ
Outline of Annual Research Achievements	近年、量子もつれ光を励起光とした分子系量子制御の研究が開拓されつつある。量子もつれ光の分子制御への応用においては、これまで量子情報通信技術が要請してきた従来の通信波長帯域の偏光もつれではなく、分子励起に適した紫外域の周波数もつれとその超短パルス化が不可欠になる。しかし、これらを全て満たす量子もつれ光源は現在の所存在しない。本研究の目的は、微小共振器内プラズモンナノアンテナ構造を用いた新しい量子もつれ光の生成法を提案し、上記の全ての条件を満たした量子もつれ光生成理論を構築、そのデバイス化の指標を与えることにある。当該年度では、前年度で構築した時空間入出力パルス理論を微小共振器内に閉じ込められた金属ナノ構造との結合系に適用し、広帯域紫外周波数もつれ光子の生成理論を構築した。具体的にはAgナノ構造とAlナノ構造を解析対象とし、共振器QEDパラメータを適切に制御することで、中心波長215 nm、パルス幅5 fs、量子もつれ度0.5の広帯域紫外周波数もつれパルス光の生成が可能であることを示した。また局在表面プラズモンの光応答解析のための簡単な第２量子化の近似理論を提案した。従来の表面プラズモンの第２量子化法と比較すると厳密性は損なわれるが、金属ナノ構造が光波長よりも十分小さいという近似適用範囲内であれば、局在表面プラズモンの光学応答をよく知られた古典解析式から非常に簡単に量子２準位系へ拡張することが可能になる。これによりプラズモン光応答の量子論的性質を解析する量子プラズモニクスの研究分野への波及が期待できる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当該年度の目標は、微小共振器内に閉じ込められた金属ナノアンテナと共振器場との弱結合領域を実現するパラメータを算出し、前年度に構築した時空間入出力パルス理論を用いて、量子もつれ光生成における量子もつれ度と空間的量子相関を解析することである。現在、DBR微小共振器を対象として、局在表面プラズモンとの弱結合領域を実現するパラメータを算出、更にAgナノ構造およびAlナノ構造を仮定した２タイプの共振器ープラズモン結合系による広帯域紫外周波数量子もつれパルス光の生成理論の構築に成功している。また前年度の課題であった光子分布を加味した入出力理論の構築に関しても、共振器ープラズモン結合係数に光子分布の効果を取り込めることが分かったため、本研究の目的である広帯域紫外周波数もつれ光の生成過程においては拡張理論の構築が必要なくなり、この問題も解決した。後は出力光子の空間的量子相関の自由度を加味した計算だけであり、おおむね当初の予定通りに計画が進展している。
Strategy for Future Research Activity	当初の研究計画に従い、強結合領域における量子もつれ光生成の解析を行う。まず今年度と同様の共振器ープラズモン系を解析対象として、金属ナノ構造および微小共振器系の共振器QEDパラメータを算出し、生成される量子もつれ光の中心波長制御の可能性について解析を行う。また前年度の課題であった出力光子間の空間的量子相関を解析できる拡張理論の構築にも取りかかり、新しい自由度をもつ量子もつれ光の励起光源応用の可能性を探求する。またこれらの解析と並行して、分子系２光子励起解析の研究にも取り組み、２光子励起効率の更なる増強や新しい分光法の構築を目指したナノ構造デザイン開発も行っていく予定である。
Causes of Carryover	研究計画では研究補助者への謝金を計上していたが，並行して行っていた研究の論文が採択され，急遽そのオープンアクセス出版掲載料へと流用したため．
Expenditure Plan for Carryover Budget	翌年度分と合わせて研究補助者(大学院生)の謝金等として使用する．