2023 Fiscal Year Research-status Report
Study on light-field-driven dynamics for ultrafast control of quantum states of matter
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23K13052
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小野 淳 東北大学, 理学研究科, 助教 (40845848)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 光電場駆動 / 実時間ダイナミクス / アト秒パルス / 量子スピン液体 / キタエフ模型 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
主に光電場や磁場によって駆動される量子系の実時間ダイナミクスに注目して解析を行い，以下の成果が得られた。
(1)固体からのアト秒パルス発生の理論構築。質量のあるディラック粒子のトンネル励起確率に関して古くから知られていた理論を固体結晶に拡張し，高強度の光電場によってトンネル励起された電子正孔対の波動関数を精度良く記述する波動関数を導くことができた。また，これを用いて，電子正孔対の波動関数を光電場によって精密に制御するために不可欠となる，光電場波形の最適化手法を考案した。特筆すべき応用として，励起された電子正孔対が再衝突する際に電子・正孔の波束の広がりが最小となるように光電場波形を最適化することで，フーリエ限界に迫るアト秒パルス発生が可能であることを示した。そこでは，固体結晶中のブロッホ電子の質量が光電場駆動によって符号まで変化することが本質的な役割を果たしており，従来の原子ガス系における高次高調波発生を用いた極短パルス発生とは全く異なる機構が働いていることが明らかになった。
(2)量子スピン液体における分数化準粒子の制御。基底状態が量子スピン液体となることが知られているキタエフ模型では，スピンの自由度がマヨラナフェルミオンとバイゾンの二つの準粒子に分数化する。特に，マヨラナゼロモードを伴ったバイゾンは非可換エニオンとして振る舞うことから量子計算への応用が期待され，その制御法の確立が求められている。そこで平均場近似を用いてキタエフ模型における実時間ダイナミクスの解析を行い，空間的に局所的な磁場の印加・掃引によってバイゾンの位置を制御できることを見出した。
以上の成果はPhysical Review B誌にいずれもLetterとして掲載された。
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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
固体中の電子正孔対のトンネル励起に関する新たな知見と，それを応用した光電場駆動によるアト秒パルス発生法を提案することができた。また，光電場に限らず磁場によって磁性体の分数化準粒子を制御できることが明らかになり，より広い観点から新たな方向性が見出された。以上から，研究計画に照らして概ね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた知見を元に，磁性体，特にスピテクスチャと結合した電子系における高次高調波発生や高次サイドバンド発生などの光電場駆動現象について研究を展開する。また，光駆動された電子が磁気構造に与える反作用も非自明であり，今後考察を深めていく。
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| Causes of Carryover |
購入を計画していたワークステーションについて，性能や納期等を慎重に検討した結果，初年度の購入を見送ることとした。残金は次年度以降の物品費として使用する。
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