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Development of a mid-IR laser driven X-ray spectroscopic system for zeptosecond atomic, molecular, particle physics

Research Project

Project/Area Number 23K26570
Project/Area Number (Other) 23H01877 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research InstitutionInstitute for Molecular Science (2024)
Kyoto University (2023)

Principal Investigator

金井 恒人  分子科学研究所, 物質分子科学研究領域, 特任講師 (00442947)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 時田 茂樹  京都大学, 化学研究所, 教授 (20456825)
岡崎 大樹  京都大学, 化学研究所, 助教 (50976925)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
Keywords高次高調波分光 / アト秒物理学 / 中赤外レーザー / 光パラメトリック増幅器 / 素粒子物理学 / 高次高調波発生 / KTA光パラメトリック増幅器 / Fe:ZnSeマルチパス増幅器
Outline of Research at the Start

アト秒物理学の急速な発展の中,この方法論では原理的に素粒子・原子核物理学の様な基礎物理学の研究が出来ないと考えられてきた.一方基礎物理学においては加速器の更なる大型化が困難となったため従来とは違った方法論が求められている.本研究では,ポジトロニウムの様な基礎物理学において非自明な不安定粒子の寿命をアト秒の精度で測定することで基礎物理学の諸問題を直接的に検討するという新奇方法論を確立する.本研究で開発する新奇なアト秒・ゼプト秒分光システムを用い,不安定粒子の寿命測定,超高速イメージング [T. Kanai et al., Nature 435, 470 (2005)] などを展開する.

Outline of Annual Research Achievements

アト秒物理学の急速な発展の一方で,この方法論では素粒子・原子核物理学の様な基礎物理学の研究ができないと考えられてきた.私達は,ポジトロニウムや湯川中間子の様な基礎物理学において非自明な不安定粒子の寿命をアト秒の精度で測定することで,基礎物理学における諸問題を直接的に検討するという新奇方法論を世界で初めて提案し[T. Kanai et al., CLEO/IQEC, paper CG-P.7 (2013)],その素過程であるポジトロニウム負イオンの光脱電子過程の観測に成功している[K. Michishio, T. Kanai et al., Nat. Commun. 7, 11060 (2016).].本研究計画では,本新奇方法論による「アト秒素粒子物理学の開拓」を目指し,分光システムの開発と実証実験[T. Kanai et al., Nature 435, 470 (2005)型など]までを行う.
初年度である今年度は, 4ミクロン帯のKTA光パラメトリック増幅器をシード光としたFe:ZnSe中赤外チャープパルス増幅器の開発と,高次高調波発生用チェンバー及び分光器の高度化を行った[(招待講演) T. Kanai et al., ASSL/LAC, Tacoma, Washington, USA, Oct. 9th-12th, 2023. 等].前者については,ウィーン工科大A. Baltuskaグループとの共同研究を通じKTA光パラメトリック増幅器をまず行い,次に本レーザーをシード光としたFe:ZnSeマルチパス増幅器によるサブmJ程度までの増幅,400fs程度までのパルス圧縮,さらに応用実験としてZnS結晶中における第9次高調波発生を観測した.後者については,アト秒パルスの検出効率の向上のため,代表者が過去に開発した高次高調波発生及び分光器に最先端のX線CCDを導入した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度である今年度は,当初の計画通り4ミクロン帯のKTA光パラメトリック増幅器をシード光としたFe:ZnSe中赤外チャープパルス増幅器の開発と,高次高調波発生用チェンバー及び分光器の高度化を行った.本研究成果は当該分野に大きな波及効果をもたらし,実際研究代表者は,本分野における最も権威がある国際学会の一つである,Advanced Solid State Lasers Conference (ASSL)/Laser Applications Conference (LAC)において招待講演を行った. [(invited) T. Kanai et al., ASSL/LAC, Tacoma, Washington, USA, Oct. 9th-12th, 2023. ].
研究進捗の前者については,予定通りウィーン工科大A. Baltuskaグループとの共同研究を通じKTA光パラメトリック増幅器をまず行い,次に本レーザーをシード光としたFe:ZnSeマルチパス増幅器によるサブmJ程度までの増幅,400fs程度までのパルス圧縮,さらに応用実験としてZnS結晶中における第9次高調波発生を観測した.後者については,アト秒パルスの検出効率の向上のため,代表者が過去に開発した高次高調波発生及び分光器に最先端のX線CCDを導入した.

Strategy for Future Research Activity

京都大学においては引き続き4ミクロン帯のKTA光パラメトリック増幅器をシード光としたFe:ZnSe中赤外チャープパルス増幅器の開発を行う.ポンプ光からの変換効率が高いCPAを最終段増幅器に用いることにより,中赤外光パラメトリック増幅器を最終段増幅器として用いた場合には困難であった,超テラワットクラスの4ミクロンパルスを発生させることが可能となることが期待され,応用として2023年度実現された固体中の高次高調波発生実験のみならず気体からの高次高調波発生を実証する計画である.
また申請者が2023年3月に分子科学研究所に異動になったことを活かし,分子科学研究所に既設の高出力フェムト秒レーザーと研究代表者が持つ数サイクル中赤外レーザー技術,アト秒物理の方法論の融合を開始する.素粒子物理学と凝縮系物理学は歴史的に互いの概念のアナロジーに注目して発展してきた.本研究計画の方法論を統一的な枠組みで展開することにより素粒子物理学のみならず,分子科学研究所が得意とする凝縮系・表面物理学への展開を試みる.

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] ウィーン工科大(オーストリア)

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    • Author(s)
      Kanai Tsuneto、Kaksis Edgar、Pugzlys Audrius、Baltuska Andrius、Okazaki Daiki、Yasuhara Ryo、Tokita Shigeki
    • Journal Title

      Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2023)

      Volume: - Pages: LTu1B.3-LTu1B.3

    • DOI

      10.1364/lac.2023.ltu1b.3

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    • Author(s)
      F. Ishibashi, T. Hasada, K. Homma, Y. Kirita, T. Kanai, S. Masuno, S. Tokita, M. Hashida
    • Journal Title

      Universe

      Volume: 9 Issue: 3 Pages: 123-123

    • DOI

      10.3390/universe9030123

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    • Author(s)
      Homma Kensuke, Tesileanu Ovidiu, Nakamiya Yoshihide, Kirita Yuri, et al.
    • Journal Title

      The European Physical Journal A

      Volume: 59 Issue: 5 Pages: 109-109

    • DOI

      10.1140/epja/s10050-023-01001-y

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    • Author(s)
      Kanai Tsuneto、Okada George、Tokita Shigeki
    • Journal Title

      Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2023)

      Volume: - Pages: SM1F.2-SM1F.2

    • DOI

      10.1364/cleo_si.2023.sm1f.2

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      Kanai Tsuneto、Kaksis Edgar、Pugzlys Audrius、Baltuska Andrius、Okazaki Daiki、Yasuhara Ryo、Tokita Shigeki
    • Organizer
      Laser Applications Conference
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      Kanai Tsuneto、Okada George、Tokita Shigeki
    • Organizer
      CLEO: Science and Innovations
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      2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
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    • Author(s)
      Shigeki Tokita, Daiki Okazaki, Tsuneto Kanai, Linpeng Yu, Ryo Yasuhara
    • Organizer
      The 13th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2024)
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      2023 Annual Research Report
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    • Author(s)
      Daiki Okazaki, Tsuneto Kanai, Linpeng Yu, Ryo Yasuhara, Shigeki Tokita
    • Organizer
      The 13th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2024)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fe:ZnSeを用いた波長4ミクロン帯フェムト秒パルス増幅器の開発2023

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      岡崎 大樹、金井 恒人、Yu Linpeng、安原 亮、時田 茂樹
    • Organizer
      2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Pilot Search for eV-Mass-Region Dark Matter Via Stimulated Resonant Photon Scattering Using Three Pulsed-Laser Beams2023

    • Author(s)
      T. Hasada, K. Homma, F. Ishibashi, Y. Kirita, T. Kanai, S. Masuno, S. Tokita, and M. Hashida
    • Organizer
      The thirty-first annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'23)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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