2017 Fiscal Year Annual Research Report
光の軌道角運動量を用いた巨視的量子相関ダイナミクス探索
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16H03876
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
戸田 泰則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土屋 聡 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80597633)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光物性 / 光渦 / 時間分解分光 / 高温超伝導 / 特異点光学 / 軌道角運動量 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ビスマス（Bi）系高温超伝導体を主な測定対象とし、軌道角運動量を持つ光波である光渦パルス励起によって発生するキャリアの軌道角運動ダイナミクス観測を実現する。瞬時励起されたキャリアの軌道角運動が系の大域性を反映することに着目し、そのダイナミクスを通して高温超伝導物性の主要課題である秩序形成機構および自発的対称性破れの起源と発現機構を明らかにすることを目的としている。本年度（2年度）は初年度に構築したポンプ光の軌道角運動量変調によるポンププローブ分光測定系を改良することにより、Bi高温超伝導体試料に対してキャリアの軌道角運動を反映する過渡反射率変化の検出に成功した。軌道角運動量変調の際に重畳する偏光変調応答をキャンセルする機構（偏光変調を二重に行う機構）を導入し、軌道角運動応答成分のみを高感度に選択検出する分光光学系を構築した。これをBi高温超伝導体試料測定に適用し、超伝導転移温度以下の低温において、微弱ではあるが従来の超伝導ギャップを反映したキャリア緩和とは明らかに異なる反射率変化応答を得た。実験結果は瞬時励起されたキャリアの軌道角運動が異なるカイラリティを持つ超伝導状態を増強、もしくは同符号の超伝導状態を抑圧することを示唆している。また並行して光の軌道角運動量を活用した物質制御応用を目的とし、微小共振器半導体レーザーを対象とした発振モードの軌道角運動量制御にも取り組んだ。外部共振器に含まれる空間位相変調により、レーザーからの軌道角運動量を持つ光波（光渦）の発振制御を実現した。異なるカイラリティを持つ発振制御は空間位相変調のカイラリティに追随することが確認され、光渦を制御光波とするコヒーレント相関制御への展開を示すことができた。
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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
研究計画に従い、光渦パルスによるポンププローブ分光測定を巨視的量子相関が物性の本質的役割を担う高温超伝導試料（Bi2212）に対して実施し、本研究の主要課題であるキャリアの軌道角運動を反映する過渡反射率変化の検出に成功した。さらに光の軌道角運動量を活用した展開研究として、微小共振器半導体レーザーを対象とした発振モードの軌道角運動量制御にも成功した。以上の実績を踏まえ、本研究課題は順調に進んでいると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度は本研究計画の主要課題であるキャリアの軌道角運動を反映する過渡反射率変化の検出に成功した。実験結果は瞬時励起されたキャリアの軌道角運動が異なるカイラリティを持つ超伝導状態を増強、もしくは同符号の超伝導状態を抑圧することを示唆している。また軌道角運動応答はキャリア緩和と比べて緩和速度が遅い傾向も示された。以上の研究成果を踏まえ、今年度は系統的な比較が可能な他の超伝導試料に対して軌道角運動量変調測定を実施し、過渡応答特性や温度特性を通して軌道角運動量変調により誘起される反射率変化（軌道角運動応答）の発現機構解明および応答と超伝導秩序形成との関連性を明らかにする。結果をもとに超伝導試料に対する軌道角運動応答の物理モデルを構築し、超伝導試料に対する大域性の定量的評価として研究成果をまとめる。特に昨年度の研究からオプティマルドープ試料の擬ギャップ応答が顕著な飽和強度特性を示すことが明らかとなり、超伝導ギャップとの相関が示唆されている。巨視的な量子相関の観点から本試料の特性は軌道角運動応答にも反映されると推測されるため、本試料に対する測定結果を中心に自発的対称性破れの発現機構や超伝導との相関についても調査を進める。超伝導試料を対象とした上記研究と並行して、本研究では光の軌道角運動量を利用したポンププローブ分光測定の他の物質系への適用も実施してきた。これまで半導体励起子や微小共振器半導体レーザーを対象とした軌道角運動ダイナミクス観測を実現している。最終年度は研究成果をもとに物性研究に対する光の軌道角運動量を利用した本手法の新規性を示し、従来の光デバイスにはないユニークな機能の開拓を目指す。
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