2019 Fiscal Year Annual Research Report
アト秒位相分解波動関数イメージング法による新規な量子選択性の研究
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18H03903
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
新倉 弘倫 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10500598)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アト秒 / 高次高調波 / 極端紫外レーザー / 量子制御 / 波動関数 / 高強度レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)高強度赤外レーザーとアト秒極端紫外パルスによる磁気量子数を選択したイオン化機構の解明：2017年に代表者らがScience誌に発表した論文では、高強度レーザーパルスと極端紫外のアト秒高次高調波との組み合わせることで、磁気量子数m=0のみを選択的にイオン化できることを示した。一方、なぜ磁気量子数を選択できるかという機構は明らかではなく、その解明が本研究課題の目標の一つであった。2019年度はこの目標を達成し、論文がJ.Phys.B誌に受理された。アト秒高次高調波の波長をスキャンし、かつ赤外レーザーパルスの強度を変えて、ネオン原子からイオン化した電子の運動量分布を測定した。その結果、ある特定の波長と強度の組み合わせで、磁気量子数m=0またはm=1を持つf-軌道の波動関数イメージが選択的に得られることがわかった。次に実験結果を共同研究先のマックスボルン研究所で行われた時間依存のシュレーディンガー方程式による計算等と比較した。赤外の高強度レーザーパルス(IR光）中では電子のエネルギー準位は変化するが、さらにIR光のエネルギーが、ちょうど２準位間のエネルギー差に等しくなるときに、m=0とm=1のエネルギー準位は大きく異なる値をとることがわかった。
(2)約50%の高効率でのオプティカルパラメトリック増幅（OPA)パルスの発生と波長可変高次高調波の発生・光イオン化の研究：本研究課題では、波長が可変化されたアト秒高次高調波を利用して、さまざまなエネルギー準位からの量子制御と電子の位相マッピングをめざしている。本年度はOptics express誌にOPA増幅による変換効率が約50％という高い値をとることを報告し、ビーム空間モード・パルス幅と、OPAから発生させた高次高調波のスペクトル測定からその特徴を明らかにした。発生させた高次高調波を用いて原子をイオン化し、ある特定の極端紫外の波長領域で低エネルギーに特徴的な運動量分布を持つ電子が生成することを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究課題の目標のひとつであった「極端紫外レーザー（高次高調波）と赤外レーザーの組み合わせで、なぜ選択的にある磁気量子数を持つエネルギー準位を励起・イオン化できるのか」というメカニズムの解明と、この量子制御により特定の磁気量子数を持つ電子波動関数のイメージング測定に成功し、J.Phys.B誌に発表した。したがって、機構解明という点で当初の計画以上に進展しているといえる。また、本研究では極端紫外レーザー（高次高調波）の波長可変域を広げて、量子制御やイメージング測定に使用することを計画している。まずそのために必要な、非常に高い変換効率を持つオプティカルパラメトリック増幅による赤外レーザーパルスの発生の機構と、波長可変の高次高調波の発生およびそれを用いたイオン化過程の結果について、optics expressに発表している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度はコロナのために数ヶ月間、研究活動が制限されおり、特に二ヶ月、実験室に入れない状況である。前半期はオプティカルパラメトリック増幅器の二段増幅ステージの製作と、新規の測定チャンバーの稼動を目指す予定だったが、６月時点で光学部品の発注・納品のめどがたたないため、計画の修正が適宜必要であると考えられる。本年度は以下の研究を行う方針である。
(1)運動量空間での電子波動関数の振幅と位相分布の測定：2017年に米Science誌に掲載された代表者らの研究では、ネオン原子から放出されたf-軌道電子（時期量子数m=0）の波動関数を部分波にわけ、部分波ごとの振幅と位相の測定を行った。本研究課題では、ある運動量を持つ電子ひとつひとつの相対位相と振幅を測定する実験的方法を確立する。
(2)オプティカルパラメトリック増幅の二段階ステージの構築：発生するアト秒極端紫外レーザーパルスの波長は、それを発生する基本波の波長に依存する。2020年に発表した論文では、2mJの入力に対して約50%の高い効率で出力が得られることを報告した。今後はその出力をさらに増幅させる光学系を完成させる。昨年度は基本波のレーザー強度が増大したために生じた空間モードの変形を直し、増幅を行うめどがたった。光学系の構築後、期待する変換効率が得られない場合には、使用する光学系のコーティングを変えるなどの工夫を行う。ただし使用する結晶などは納期がかかるため、コロナによる影響がどこまで及ぶかは未知数である。そのため、低い変換効率の場合でも、それを用いてアト秒パルスを発生させ、光イオン化過程に関する研究を行い、どの程度の信号が得られるのかを検証する。
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| Remarks |
本研究課題の成果についてプレスリリースを行い、いくつかのサイトで参照された。
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