2017 Fiscal Year Research-status Report
光をツールとする固体電子および電子・フォノン結合系の量子駆動理論
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16K05396
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
萱沼 洋輔 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 研究員 (80124569)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | コヒーレント制御 / 量子経路干渉 / 位相ロック２連パルス / 動的局在 / 量子ゼノン効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
連携研究者（中村一隆）の行っているGaAs結晶を対象とした２連パルス励起法によるコヒーレントフォノン生成および観測の最終的データがほぼ出そろったことを踏まえ、その理論構築に主力をおいて研究を実行した。遅延時間をアト秒の精度で制御した２連パルスで結晶を励起することにより、位相干渉効果により電子波動関数とフォノン波動関数を同時にコヒーレント制御することが可能となる。この原理を用いれば、長年、議論の対象とされてきたコヒーレントフォノン生成機構（瞬間的光吸収か瞬間的ラマン散乱か）の問題に解答を与えることができることに気づき、実験と理論解析を行った。その結果、生成されたフォノン強度の遅延時間依存性すなわち干渉フリンジに独特の構造が現れ、理論計算との比較により、n型GaAsでは不透明域励起であるにも関わらず100%誘導ラマン散乱過程がフォノン生成に寄与していることが判明した。これは従来の「常識」を覆す意外な発見である。この干渉フリンジ生成には、２連パルス誘導ラマン散乱に特有の量子経路干渉効果が働いている。この成果は国際会議・国内学会等で公表済みであり、論文投稿準備中である。
量子経路干渉のもたらす別の興味深い現象に量子遷移の「凍結」がある。これは実験的にも知られている動的局在の根本原因であることが、萱沼により指摘されていたが、この「凍結現象」と、一見似た現象である「量子ゼノン効果」との共存・競合関係を理論的に研究した。そのために双方のメカニズムを含む新たなモデルを提案した。外場によりエネルギーが揺すられる空準位が、電子占拠された状態と繰り返し交差すると同時に途中で連続状態にこの電子を汲み上げるとする。このモデルで、二つの「凍結機構」の競合関係が明らかにされた。この成果は日本物理学会にて公表済みで、現在論文作成中である。
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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
コヒーレントフォノンについては、実験データの再解析を行った結果、過渡反射率の干渉フリンジに顕著な特異性が現れることが明らかとなった。そこで新たな理論模型による計算を行い、実験データとの比較検討を行った結果、コヒーレントフォノン生成機構に関して決定的な結論が得られた。従来の「常識」では、不透明域励起では瞬間的光吸収機構により電子励起状態でフォノン振動が励起されると考えられてきたが、実は瞬間的誘導ラマン散乱により基底状態でフォノン励起が起きているとことが判明した。これは位相ロック２連パルス励起による「重ね合わせ状態」生成の際の量子遷移経路間の干渉によるものであることが、本研究者による理論から言える。この新規な発見により、本研究も軌道修正を行うこととなった。
今年度は外場駆動による量子遷移凍結に関しても、新たな研究を開始した。従来のいわゆる周期駆動によるトンネル効果凍結機構に加えて、「周期的位相緩和による量子遷移凍結機構（いわゆる量子ゼノン効果）」も同時に考慮するモデルを提案し、数値計算を行った。位相干渉による凍結と位相緩和による凍結という真逆の機構の競合関係について、これまでに基本的な理解が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究遂行の過程で、初期には予想していなかった知見が得られたことにより、その解析に集中した結果、論文作成・公表に遅れが出ている。これはこの分野の研究の新展開にもつながる可能性のある結果ではあるが、予定した研究期間内に成果を上げるべく、現在、論文取りまとめの最中である。なお、国際会議および国内研究集会では公表済みである。
次年度では研究成果の取りまとめ・論文出版に主力を注ぐ予定だが、同時に得られた研究成果から、この手法（位相ロック２連パルス励起法）を他の物理系に対しても拡張して適用できるのではないかと気がついた。これは重ね合わせ状態の位相干渉を利用してフェムト秒パルスによりアト秒精度の動的情報を得る方法である。次年度には、この手法の展開可能性とその限界を、モデル系を用いて理論的に探ることを考えている。
外場駆動による量子遷移凍結の課題についても、まずこれまでの成果を論文に取りまとめることを第一に予定している。
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| Causes of Carryover |
予定していた国際会議への出張一件を都合により取りやめたことが主な理由である。平成３０年度が本研究計画の最終年度に当たるため、論文の執筆投稿と国内外の学会での研究成果発表を重点的に行う予定であり、そのための英文添削料金、論文投稿料、旅費などの支払いにあてる予定である。
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