光渦の空間モードカイラリティを活用した時間分解分光の開発
| Project/Area Number |
19K22138
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
戸田 泰則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | 光渦 / 時間分解分光 / 光の軌道角運動量 / カイラリティ / 光物性 |
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| Outline of Research at the Start |
光渦は光軸上に位相特異点を有し、そのカイラリティは波面の回転方向で決定される。本研究ではこの特異的な空間モードカイラリティに着目し、モード変換を利用した光波分離にもとづく全く新しい方式の時間分解分光を開発する。カイラリティの異なる同一次数の光渦対の光波分離を実現し、空間モード以外の全光学パラメータを自由かつ高精度に利用可能な時間分解分光を開発する。半導体および超伝導体試料の動的電子相関のダイナミクス観測を通してモード選択性の向上を図るとともに提案手法の有効性を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
一般的なレーザー光波の断面位相は一様と見なせる。これに対して断面方位方向に位相勾配をもつ光波は光渦と呼ばれ、位相勾配の向き（カイラリティ）と巻き数に応じた高次の空間モード光波である。同一巻き数の光渦対は同一の強度分布を持つが、各光渦に異なるカイラリティを与えれば、同軸条件下でもカイラリティ選択による光波分離が可能となる。本研究ではこの光渦カイラリティに着目した新規分光手法の開発を目的として研究を進めている。
昨年度までに主要課題として掲げた光渦カイラリティ選択分離を活用した分光手法の開発を進め、１）半導体微小共振器モードのカイラリティ選択にもとづく高純度かつ安定な光渦発振、２）直交偏光配置の光渦対を用いたポンププローブ分光の確立とカイラリティ選択によるキャリア応答測定を実現した。新規分光手法の応用展開として、当該年度は同軸入射型ポンププローブ分光を用いたキャリア応答イメージングと、その観測結果を踏まえた物性探索を実施した。電子相関に起因する臨界性の発現が予測される銅酸化物試料に対して、上記手法を用いたキャリア応答の空間分解測定を実施し、金属応答と部分的なギャップ応答（擬ギャップ応答）がマクロなドメイン構造を形成することを明らかにした。さらにそのイメージング特性から、応答ドメインは結晶や表面構造とは独立した起源をもち、強い臨界性に伴う空間的な相分離を反映することが示唆された。本成果は同軸入射にもとづく高安定な二次元走査に立脚しており、相分離の解明を通して分光手法の物性探索応用に対する有効性を証明できた点で重要な成果であると考える。
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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
本研究では光波の空間モードカイラリティを活用した分光手法を開発してきた。これまでに（A）半導体微小共振器の幾何学的位相を利用したカイラリティ選択型光渦発振、（B）超伝導試料に対する完全同軸型時間分解分光を実現した。また当初の課題であった、測定感度やモード選択性の向上も、変調手法の適用や試料保持の工夫を通して克服しており、研究自体は順調に進展していると考える。残念ながら装置改良を目的とした購入物品がコロナ禍の影響で年度を跨ぐ納品となったため、期間を延長して研究を継続することとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
すでに当初の目的であった光渦カイラリティを活用した時間分解分光を実現しており、半導体微小共振器に対する高純度かつ安定なカイラリティ選択型光渦発振に成功した。また線形過程が支配的となる時間分解反射率変化測定では、直交偏光条件下の完全同軸配置におけるカイラリティ選択と過渡応答検出を実現できた。さらに同軸配置の利点を活かしたイメージング応用を実施し、その安定性を踏まえた特徴的な応答から電子相関の関与する新しい物性を明らかにできた。今年度は納品されるアクロマティックレンズを用いた同軸入射分光の空間分解能の向上を実現し、物性探索を踏まえた分光手法の有効性の証明と新規応用展開を進めると共に研究を総括する。
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Report
(3 results)
Research Products
(14 results)
