2015 Fiscal Year Research-status Report
人工原子における光閉じ込めと光・電子の協奏ダイナミクス
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15K05396
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
佐甲 徳栄 日本大学, 理工学部, 准教授 (60361565)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 人工原子 / 量子ドット / 光と物質の相互作用 / マックスウェル-シュレディンガー / FDTD / 閉じ込め / 波動関数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，（i）巨大な振動子強度を持ち，それゆえ光と強く結合をすることができる人工原子を利用した光閉じ込めに着目し，人工原子周囲に形成される電磁場および，内部に閉じ込められた光子と電子とが結合した光ドレスト状態を，マックスウェル-シュレディンガー方程式の連立数値解析によって明らかにすること，および，（ii）その知見および開発した計算システムを用いて，人工原子の光閉じ込め素子としての特性の評価を行うことを目的としている．研究の初年度である平成27年度は，まず本研究の柱であるマックスウェル方程式とシュレディンガー方程式の連立方程式を数値積分するための計算システムの開発を行った．数値積分方法としては，大規模数値計算と相性が良く並列化が容易な時間領域差分（FDTD）法を用いた．
また，開放系への応用を行うために，着目する物理系の境界での電磁波の反射を防止する完全整合層（PML）の導入を行った．これによって，PML層に入射した散乱波が完全に吸収されるようになり，開放系でのシミュレーションを行うことが可能となった．また，開発した計算コードの信頼性を確認するために，二つの独立なアルゴリズムを用いて電磁場を計算する計算コードの作成を行った．テスト計算例として，擬1次元空間に拘束された単一電子が放射する電磁場の計算を実行し，二つの異なるアルゴリズムで開発したプログラムの計算結果が完全に一致することを確認した．これによって，本研究の柱となる信頼性が高いマックスウェル-シュレディンガー連立数値解析を行うことが可能となった．
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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
本研究では，人工原子における光閉じ込めおよび光と電子とが結合した光ドレスト状態を，マックスウェル方程式とシュレディンガー方程式の連立方程式を時間積分することによって明らかにすることを目的としている．このために，研究の初年度である平成27年度は，本研究の柱である「マックスウェル-シュレディンガー連立方程式」を数値積分するための計算コードの開発を行った．
マックスウェル方程式およびシュレディンガー方程式ともに，均等空間グリッド上で電磁場および電子波動関数を表現し，FDTD法に基づいてそれらの時間発展を計算するプログラムを開発した．そして，時間依存電子波束から分極電流密度を計算し，それをアンペア-マックスウェル方程式のソース項に返すことによって，励起電子から電磁場へのフィードバック効果を取り入れた．また，解析空間の外側にPMLを配置することによって，グリッド端による人造的な電磁場の反射を防止し，開放的な空間における電磁場の伝播をシミュレーションすることに成功した．これらの開発によって，当初計画していた通り「人工原子と光の協奏的なダイナミクス」のシミュレーションを実行することが可能となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の2年目である平成28 年度は，前年度に開発を行った，FDTD法に基づく「マックスウェル-シュレディンガー連立方程式の数値積分計算システム」を用いて，人工原子集団と電磁場との混合系における時間発展シミュレーションを実行する．これによって，人工原子における光閉じ込めの本質を明らかにする．特に，人工原子においては，原子のサイズおよび形状によって，電子相関エネルギーが全エネルギーの数%から数十%まで非常に大きく変化することが示されている．さらにまた，スピン状態によっても相関エネルギーが大きく変化し，特に低スピン状態ほど相関エネルギーが大きくなる傾向を持つ．この電子相関の大小が光・電子相互作用系のダイナミクスにどのように反映するかを明らかにする．この研究を効率よく進めるために，人工原子の形状と振動子強度分布の関係について10年来共同研究を行っているストラスブール大学・材料物理化学研究所のP.A. Hervieux教授との研究打ち合わせを行う．
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| Causes of Carryover |
平成27年度の冬季にイスタンブールで開催の国際会議に参加を予定していたが，中東の政治状況の悪化のため，参加を見送った．このための旅費および参加費に関しての残金が発生した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は，(i)昨年度に生じた助成金の差額分については，本研究の成果について，プラハで開催予定の国際会議において招待講演の依頼を受けているため，その旅費に充当する.(ii)また，その他の助成金については，当初の予定通り物品費および旅費として使用する.
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