Generation of circularly polarized femtosecond coherent soft x-rays and its application to ultrafast spin dynamics

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H01067
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Optical engineering, Photon science
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Takahashi Eiji 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (80360577)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 豊田 光紀 東京工芸大学, 工学部, 准教授 (40375168) ; 菊池 伸明 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80436170)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 量子エレクトロニクス / スピントロニクス / 高次高調波 / コヒーレント軟X線 / アト秒科学

Outline of Final Research Achievements

We have developed ultrafast mid-infrared lasers and demonstrated circularly polarized femtosecond soft x-ray light sources based on high-order harmonic generation. Specifically, we have developed a 3 um, 30 mJ, 50 fs mid-infrared laser and a 1.7 um, 100 mJ, 10 fs laser system as pump lasers on high-order harmonic generation. We have also constructed a high-pressure gas cell that can be filled with medium gas up to 1 atm for harmonic generation and a femtosecond soft x-ray pump-probe measurement system for utilizing the generated harmonic beams. On the circularly polarized harmonic generation, its maximum photon energy reached 200 eV. In addition, we have established a photon energy scaling law to realize > 700 eV harmonic beam which corresponds L-edge of 3d transition metal.

Free Research Field

レーザー工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究から得られた成果より，フェムト秒の時間幅を持つコヒーレント軟 X 線ビームを磁気円二色性計測に利用できる目処がたった．大型放射光を用いた磁気円二色性計測における時間分解能がサブナノ秒であることを考えると、測定時間分解能が３桁以上改善されたことになる．円偏光高次高調波の励起レーザー波長に対する光子エネルギースケーリング則を用いる事で，3d 遷移元素の L 端の励起が可能なフェムト秒円偏光軟 X 線光源を実現することができ，結果，スピン・磁気軌道モーメントの超高速ダイナミクス観測を通して，本研究成果がスピントロニクス等の磁性材料に関連する分野に大きな波及効果をもたらすと期待できる．