• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

サブnmギャップを持つメタ表面の量子効果解明と機械学習による高機能化設計

Research Project

Project/Area Number 20J00449
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

竹内 嵩  筑波大学, 計算科学研究センター, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywordsナノ物質 / 非線形光学応答 / メタ表面
Outline of Research at the Start

本研究では金属ナノ粒子間にサブnmのギャップを持つメタ表面において、量子効果が光物性に及ぼす影響を計算科学手法を用いて解明することを第一の目的とする。第二の目的は量子効果を積極的に活用した新奇な光機能発現の実証である。これを行うため、昨今理学・工学を問わず強力なツールとして認知される機械学習を用い、金属ナノ粒子の幾何因子と量子効果の詳細な相関関係を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本課題では,これまでに量子力学的効果がメタ表面の光物性に及ぼす影響を時間依存密度汎関数理論(TDDFT)に基づく第一原理計算を用いて解析してきた.TDDFTは電子の量子性を扱う上で有効な手法だが,計算コストが非常に大きい問題点を有する.具体的には金属ナノ粒子を構成する伝導電子全てをそれぞれ独立な電子軌道として扱うため,ナノ粒子のサイズが大きくなるにつれ計算コストが爆発的に増加するという点である.そのため,TDDFTにより計算可能な金属ナノ粒子のサイズは,世界有数のスーパーコンピュータである富岳を用いたとしても10nm程度に留まる.一方,実際の実験や応用面でよく用いられる金属ナノ粒子のサイズは数十nmであり,理論計算と実用におけるこのようなスケールの差異解消は急務だった.
そこで令和3年度ではTDDFTに代わり,近年プラズモニクス分野で注目を集める量子流体理論(QHT)に基づく新しい計算手法・コードを開発し,粒径数十nm以上の金属ナノ粒子を計算可能にした.QHTは電子の集団的運動を流体として記述する理論であるため,TDDFTのように多くの電子軌道を必要としない.しかし,QHTはその基礎方程式中に数値的不安定性を持つ項が含まれるため,これまでに非線形光学応答現象への適用が制限されていた.そこで本課題では,QHTの基礎方程式から1軌道の有効Schroedinger方程式(ESE)が導出できることを示し,このESEを直接解くことで,TDDFTに比べ低い計算コストを保ちつつ数値的不安定性を解消できることを実演した.また,基底状態,線形応答,非線形応答のすべてにおいて, TDDFTとESEによる計算結果が妥当な範囲内で一致することを示した.本成果はOptics Express誌に掲載され,Editors' Pickとしてハイライトされた.

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Numerical scheme for a nonlinear optical response of a metallic nanostructure: quantum hydrodynamic theory solved by adopting an effective Schrodinger equation2022

    • Author(s)
      T. Takeuchi, K. Yabana
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 30 Issue: 7 Pages: 11572-11587

    • DOI

      10.1364/oe.455639

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 極限的なパルス光の伝搬を記述する第一原理シミュレーション2022

    • Author(s)
      矢花一浩,山田俊介,竹内嵩
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 57 Pages: 243-253

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Extremely large third-order nonlinear optical effects caused by electron transport in quantum plasmonic metasurfaces with subnanometer gaps2020

    • Author(s)
      T. Takeuchi, K. Yabana
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Issue: 1 Pages: 21270-21270

    • DOI

      10.1038/s41598-020-77909-y

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ランダムメタ表面の光学応答のFDTD法に基づく解析2022

    • Author(s)
      吉田智大,竹内嵩,矢花一浩
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Large Third-Order Nonlinear Optical Effect Induced by Plasmonic Metasurface with Sub-nm Gaps2021

    • Author(s)
      T. Takeuchi and K. Yabana
    • Organizer
      CLEO/Europe-EQEC 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 金属ナノ構造の非線形光学応答解析 ―有効Schroedinger方程式に基づく数値解析法の開発―2021

    • Author(s)
      竹内嵩,矢花一浩
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Optical properties of plasmonic metasurface with sub-nm gaps - Extremely large third-order nonlinear optical effects caused by electron transports -2021

    • Author(s)
      T. Takeuchi and K. Yabana
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nonlinear Optical Responses of Plasmonic Meatsurface with Sub-nm Gaps Calculated by TDDFT with Jellium Model2020

    • Author(s)
      T. Takeuchi and K. Yabana
    • Organizer
      IEEE Photonics Conference
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Huge 3rd-order Nonlinearity in Plasmonic Metasurface with Sub-nm Gap - Theoretical investigation based on TDDFT with Jellium Model -2020

    • Author(s)
      T. Takeuchi and K. Yabana
    • Organizer
      The 16th international conference on Near-field Optics, Nanophotonics & Related Techniques
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ナノ金属球で構成されたメタ表面における3次非線形光学効果の増強機構2020

    • Author(s)
      竹内嵩、矢花一浩
    • Organizer
      2020年CREST次世代フォトニクス領域会議
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] サブnmギャップを有するプラズモニックメタ表面の非線形光学応答解析 ―電子輸送に基づく非線形性の増強―2020

    • Author(s)
      竹内嵩、矢花一浩
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置、設計システム、設計方法およびプログラム2021

    • Inventor(s)
      吉田智大、矢花一浩、竹内嵩
    • Industrial Property Rights Holder
      吉田智大、矢花一浩、竹内嵩
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi