2017 Fiscal Year Annual Research Report
Spatio-temporal coherent control of excited states in metal nanostructures and its application to control of light propagation
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16H04100
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
井村 考平 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (80342632)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 金ナノ構造体 / コヒーレント制御 / 励起状態 / エネルギー伝播 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属ナノ構造体に光励起される自由電子の共鳴モードは，電子と光場が時間的また空間的に結合した光強結合状態である。複数の光－電子結合モードを同時励起し，その重ね合わせ状態をコヒーレントに制御することで，光強結合状態を時間と空間の両軸で制御することが可能である。本申請では，金属ナノ構造体に誘起される光励起状態の時空間コヒーレント制御を実現し，光と熱の伝播制御法を構築することを目的としている。前年度までに，ロッドおよびナノプレートにおいて光励起状態の動的空間特性を可視化することに成功しており，平成29年度はこれを発展させて光励起状態の時空間コヒーレント制御へと展開することを当初の計画とした。しかしプレートにおいて可視化される動的空間分布の起源が不明であったこと，コヒーレント制御に最適な励起状態が不明であったことから，まずプレートおいて励起されるプラズモンモードの帰属を行うこととした。様々なサイズや形状のプレートに励起されるプラズモンの空間構造を可視化しこれを二次元井戸内の粒子の波動特性と比較することで，プラズモンモードの帰属を行った。その結果，プレートには面内および面外に分極したモードがあること，複数のモードの固有エネルギーが近接することが明らかとなった。またこれらの結果から，可視化される動的空間分布の起源とともにコレーレント制御に不可欠な知見明らかとなった。本研究では，金属の屈折率制御による光伝播制御を計画していることから，当該年度は，近接場屈折率イメージングの可能性についても検討した。二波長の連続発振レーザーを用いた変調計測法を構築し，金ナノ粒子の温度変化にともなう励起状態変化を可視化することに成功した。以上により，プラズモンのコヒーレント制御法また長寿命化法についての知見を蓄積した。
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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
これまではプラズモンモードの帰属をおこなうために光局所状態密度計算を用いていたが，今年度は従来法に加えてあらたに井戸型ポテンシャル内の粒子の波動関数をシュレディンガー方程式を用いて計算し，その結果を実測データの帰属に活用する方法を考案した。この手法の利点は，結果が材質に依らないこと，また近接した固有状態であっても別々に評価できる，より一般性の高い方法である。この手法の導入により，幅広い研究対象に対して，類似の解析法またコヒーレント制御法に活用することが可能となった。動的なコヒーレント制御については実験的な実現が少し遅れている一方，静的な制御については当初計画していなかった成果が得られはじめている。以上の理由から，概ね順調に推移していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズモンのコヒーレント制御を実現するためには，精密に制御されたフェムト秒パルスを操作する必要がある。これまでに，近接場領域で20 fsを安定に実現するシステムを構築している。また，制御対象の物質についても研究しその固有状態と固有エネルギーに関する理解がかなり深まっている。また，これにより制御を実現するための最適条件が明らかになりつつある。屈折率制御を利用したプラズモンの長寿命化にもすでに取り組みはじめ，屈折率変化にともなう光励起状態の可視化にも成功している。これまでの成果は，静的な制御でありこれを動的に行うことで制御性が格段に向上すると予想される。以上の二つの制御の実現に向けて，今年度も当初の研究計画にしたがい研究を推進する予定である。
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