2022 Fiscal Year Annual Research Report
Multiply-extreme nano-photonics developed by first-principles calculation
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20H02649
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
矢花 一浩 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (70192789)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
植本 光治 神戸大学, 工学研究科, 助教 (90748500)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 時間依存密度汎関数理論 / 非線形光応答 / 量子流体模型 / 高次高調波発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、物質科学の第一原理計算に基づく新しい光科学計算手法を発展させ、光のパルス長と強度そして物質のサイズを組み合わせて可能になる多様な非線形・非局所光応答現象を解明することを目的としている。本年度、以下に述べる進展があった。
金属ナノ粒子の光応答に現れる量子現象に対して、昨年度量子流体模型に基づく記述を発展させた。これを用いて、ジェリウム模型に基づき金属ナノ粒子の持つ３次の非線形光応答に関する分析を行なった。これまでナノ粒子の表面における量子効果である電子染み出しが、線形プラズマ応答に与える影響に関心が持たれているが、本研究では３次の非線形光応答に対しても、表面の量子染み出しが重要な効果をもたらすことを明らかにした。
昨年度、高強度パルス光が物質表面に斜方入射する問題を１次元的な伝搬の方程式に変換し、第一原理計算に基づく光伝搬計算が可能になる方法を開発した。本年度はこの方法をシリコンの表面に対して応用し、無反射となるブリュスター角が光の強度と共にどのように変化するかを明らかにし、方法論といくつかの例を示した論文を出版した。
高次高調波発生は、高強度パルス光が誘電体に照射する場合に普遍的に見られる現象であり、紫外光や軟X線パルスを発生させるデバイス原理として注目されている。固体からの高次高調波発生では、物質とレーザーの極めて多くの要素が関わることから、統一的な描像を得ることが容易ではない。本研究では第一原理計算に基づき、パルス長による高次高調波発生の変化、有限温度効果による原子位置の揺らぎの効果、薄膜中を伝搬することの効果と反射波・透過波に現れる高次高調波の特徴などを解明した。
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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
本研究では、高強度なパルス光と物質の相互作用に関して、時間（超短パルス）、空間（ナノサイズ）、場の強度（高強度光）を制御することにより起こる新たな非線形光応答現象を探索し解明することを目標としている。本年度は、金属ナノ粒子における表面染み出しが非線形光応答に与える影響を明らかにしたこと、高強度パルス光が斜方入射する場合について、理論と計算法を構築し論文として出版したこと、固体からの高次高調波発生におけるパルス時間長、原子配置の揺らぎ、ナノメートルからマイクロメートルのスケールにおける伝搬の効果を明らかにしたことなど、本研究の目的に関わる多様な発展が得られたことから、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に引き続き、時間・空間・場の強度の軸のうち複数が関わる現象の解明に取り組む。金属ナノ粒子に関しては、これまで取り組んできたジェリウム模型に基づく記述に加え、イオン配置を考慮した第一原理計算との比較を行い、非線形プラズモニクスに対する表面効果とバルク効果の役割を明らかにしたいと考えている。これまで様々な厚さの薄膜から発生する高次高調波発生の系統的な分析を行なってきたが、このような分析をより幅広い光強度や、誘電体以外の金属、半金属などさまざまな物質に広げ、弱い光が入射した場合に起こる物質に固有の光応答から、どのような物質でも普遍的に見られる高強度パルス光に対するプラズマ反射まで、統一的な描像を得たいと考えている。斜方入射で起こる非線形光応答に関して、２次元原子層物質を記述する理論と計算法の開発や、物質表面に発生する表面プラズモンの特徴について理解を進めたいと考えている。
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