2021 Fiscal Year Research-status Report
Material Design for Strongly-Correlated Nonlinear Photonics with Advanced Data-Driven Science and Quantum Measurements
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19K05303
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
牧野 哲征 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (70311363)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 非線形フォトニクス / マテリアルインフォマティクス / 解探索 / 最適化問題 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では局所クーロンエネルギーなどが強相関電子系材料の非線形光学特性に与える効果について明らかにし、巨大な光非線形性などをもつ新たな非線形材料開発の基盤となる知見を得ることを目的としている。
光非線形性やそれに深く関連性のある線形光学特性について種々の薄膜材料に対して解明し、その結果を3編の原著論文としてまとめた。以下に概説する。
10 Kから室温までの温度での光透過率および反射率分光法を駆使して、典型金属ベースの酸化物の線形および非線形光学特性や複素誘電関数を決定した。測定された誘電関数スペクトルは、バンドギャップエネルギーで明確な構造を示している。これらの実験データに、電子エネルギーバンド構造に基づくモデル誘電関数を適合させることができた。フォノン分散効果に基づくモデルを用いてバンドギャップの温度依存性を分析した。光学フォノン温度などのフォノン関連パラメータの観点から説明することができた。 典型金属ベースの酸化物のフォノン関連の特性について多種多様な元素半導体および二元半導体の特性と比較することを行った。
開殻の第一遷移系列遷移金属酸化物に比べ研究例に乏しい第二遷移系列遷移金属酸化物の光学特性が、光透過率と反射率の分光法を使用して初めて実験的に評価された。 測定されたスペクトルは、いくつかのバンドギャップエネルギーで明確な構造を示している。これらの実験データは、臨界点付近の電子エネルギーバンド構造に基づくモデル誘電関数
を使用して回帰分析された。この材料における特徴的な低次元性に関連するエキゾチックで例外的なモデル誘電関数が適切に測定結果を記述するという知見を発見した。また測定された誘電関数における形状的な特徴についても、電子と正孔の間の相互作用効果を含む第一原理計算によってある程度定量的に再現された。
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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
3年目の研究においては、研究対象となるさまざまな酸化物材料の線形光学特性などを基礎的な物性を明らかにするとともに光学的な非線形性にかかわる物理量を高感度非線形光学計測システムを駆使して実験的に決定することを第1義的な目標とした。
３年目の研究としては次のような理由や根拠により、着実な進展がみられると判断するものである。その根拠としては、研究実績のところで記述したような光学特性などに関するさまざまな成果を得ることができたことが挙げられる。また、3年目の研究の実績などに基づきそれらの拡張形として実験的および理論的な研究をともに進めていくことができた。具体的な項目としては、第一原理的な方法論に基づく電子構造計算により光学ギャップの形成機構を解明するなど実験的に光学的な特性を定量的に再現することができたことおよび時間分解ポンププローブ分光の測定を通じ実験的に決定された非線形感受率のデータセットに対する解析についても整合性をもって行うことができたことなどが挙げられる。具体的にはスーパーコンピュータなどを用いて行った第一原理計算の結果および昨年度に行った実験で得られた誘電関数（分光スペクトル）や光学的な非線形性にかかわるデータを計算結果が再現するように最適化できた。
また、非線形分光法に基づく測定系を高感度化することによって得られた非線形感受率のデータに対してL1ノルムの正則化に基づくディープネットワーク型の機械学習についても試みた。具体的には、超高速レーザ分光計測システムでの測定で得られた分光学的なデータを主成分分析し多変量相関関係を見出す。その際、過剰適合問題への対策を交差検定法に基づき講じた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度においては強相関電子系フォトニクスの光学モデルに基づく解析結果を国際的な学術大会で発表する予定であった。しかしながら新型コロナウィルス感染症がまん延する中、学会で対面形式での研究発表を行うことが困難となった。それとともにオンライン形式での学会発表へと変更を余儀なくされた。換言すれば世界的に多くの国際学会が中止や延期もしくはオンライン形式での開催を余儀なくされた。それによりスムーズな情報交換，研究知見交換の機会が減じられることとなった。それに起因して研究の円滑に進める上でのアイデア入手の機会が減じられた。このようなオンライン形式での学会発表では次のような様々な制約があった。たとえば研究者間の交流における問題が挙げられ、深い学術的議論を進められないなどである。さらなる研究計画を立案するにあたって有益な学術コメントが得られる機会が十分とはいえなかった。そのような問題があったため，2021年度に国際学会で成果発表する予定であった解析結果の一部の内容を可能な限り2022年度に開催されしかも対面形式が可能であるような国際学会で成果発表する予定である。そのためには成果発表に関わる必要経費の分を2022年度に繰り越しておくのが適切であると考えた。そのような事情により当該科学研究費の補助事業申請期間を一年間延長承認申請し認められた。
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| Causes of Carryover |
光学的非線形性と様々な電子構造にかかわる特性との関係を明らかにすることを目的とした計画を立案する際に有益な研究知見を得るためにモデルに基づく解析の結果を国際学会で発表する予定であった。しかしながら世界的に新型コロナウィルス感染症がまん延する中多くの国際学会が中止や延期もしくはオンライン形式での開催を余儀なくされた。スムーズな情報交換，研究知見交換の機会が減じられた。研究の円滑に進める上でのアイデア入手の機会についてもまた減じられた。そのような問題があったため昨年度に学術大会で成果発表する予定であった解析結果の一部の内容を可能な限り今年度に開催される学術大会で対面形式で成果発表する予定である。そのため成果発表に関わる必要経費の分を繰り越すため。
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