2020 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of strong-field optoelectronics in solids
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19H02623
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
石井 順久 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員(定常) (40586898)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
篠原 康 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (90775024)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超高速レーザー / 高次高調波発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者は、分光計測系に必要である赤外光パラメトリック増幅器開発を行った。波長域としては1700-2500 nmの広帯域増幅を達成した。光パラメトリック増幅器を用いて、励起レーザー（1030 nmの波長）を上記の帯域に周波数下方変換した。基本レーザーのパルス当たりのエネルギーは10 mJであり、赤外光源のパルスエネルギーは1 mJ以上が得られた。基本レーザーのパルス幅は1 psであり、赤外光源のパルス幅も同程度であった。この赤外光源をスペクトル広帯域化し、パルス圧縮によって数サイクルレーザーパルスを発生した。ビームラインにはトロイダルミラーやエリプソイダルミラーの設計を検討し、高次高調波の再集光を計算した。
研究分担者は、密度汎関数理論(DFT)に代表される第一原理計算の情報を使い、物質固有の性質を取り込みつつ、高強度電場に駆動される電子波束の実時間シミュレーション手法の開発を行った。昨年度に開発を進めた緩和のない量子系の実時間シミュレーション手法を拡張し、緩和項を導入することで実験結果には不可避的に含まれている緩和が電子波束の運動にどのような影響を及ぼしているのかを調べるための理論的枠組みを構築した。この手法を、対応する実験で得られている光放射スペクトルと比較することで、その役割を明らかにし、物理描像を構築した。物理描像の構築の際に重要であった緩和項の導入により、高調波スペクトルが整数次の振動数に明瞭なピークを形成するという先行研究結果を再現し、さらに結晶の対称性から期待される角度依存性が得られることを示した。
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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
実験を主に担当する研究代表者は、2020年度の目標としていた30fs以下の赤外光源の開発を完了し、目標数値と同じ出力を得ることができた。これにより、2021年度は当初から新たな研究目標である高調波発生実験を速やかに開始する体制が整えられた。
理論計算を担当している研究分担者は、密度汎関数理論(DFT)に代表される第一原理計算の情報を用いて、物質固有の性質を取り込みつつ、高強度電場に駆動される電子波束の実時間シミュレーション手法の開発を行い、それまでの緩和のない量子系の実時間シミュレーション手法を拡張し、実験結果に不可避的に含まれている緩和が電子波束の運動にどのような影響を及ぼしているのかを調べるための理論的枠組みを構築し、研究計画通りに進行している。
これは2020年度の研究目標を達成しており、さらには、この手法で得られた結果を実験の光放射スペクトルと比較したところ、緩和項の導入によって高調波スペクトルが整数次の振動数に明瞭なピークを形成するという先行研究結果を再現することができ、加えて結晶の対称性から期待される角度依存性が得られることも示した。これらは当初予想されていたものを超える結果であり、計画以上に研究が進展したと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験を主に担当する研究代表者は、2020年度までに高次高調波発生のためのレーザー開発を終了したため、物理学的な研究のための高次高調波発生実験に移行していく予定である。これは当初の研究計画で予定していたスケジュールと整合している。
研究分担者は、前年度までに開発した物質固有の性質を取り込みつつ緩和現象を記述できる理論的枠組みと、固体中の量子ダイナミクスの記述を簡便化した緩和が記述可能な一次元模型を用いて、高強度電場に駆動される固体中電子ダイナミクスにおける緩和項の果たす役目を調べる。複数の物質、簡便な系について調査することで、そこから普遍的にみられる構造と、物質や対称性に起因した構造について明らかにする。
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