アト秒電子ダイナミクスの第一原理計算

• 研究課題/領域番号: 14J01511
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物性I(理論)
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 佐藤 駿丞 筑波大学, 計算科学研究センター, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 3,070千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2014年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: アト秒科学 / 第一原理計算 / 非線形光学 / 超短パルス / レーザー加工

研究実績の概要

平成28年度は、高強度・超短パルス光と物質の相互作用によっておこる極限的な非線形現象を微視的に理解するための理論的解析を行い、特に次の研究で成果があった。
(i)高強度フェムト秒レーザーが誘電体に誘起する超高速光学特性変化の第一原理計算
この研究では、国外の実験グループとの共同研究により、高強度なフェムト秒パルスレーザーが引き起こす誘電体の超高速な光学特性の変化を調べた。
特に、ダイアモンド薄膜に対する実験結果の理論解析においては、第一原理計算によって実験で観測される超高速光学特性変化を定量的によく再現することに成功した。さらに、ダイアモンドにおける超高速光学特性変化の微視的起源を明らかにするため、理論計により得られた情報をの詳細な解析を進めた。その結果、実験で観測された超高速な光学特性の変化は、高強度フェムト秒レーザーがダイアモンドの特定のバンド構造に引き起こすバンド内遷移(intra-band transition)に起因する動的Franz-Keldysh効果であることを明らかとなった。
この成果は、論文"Attosecond dynamical Franz-Keldysh effect in polycrystalline diamond", Science 353, 916 (2016) としてScience誌から発表されている。
また、さらにこの共同研究を発展させ、異なる物質・条件の下での超高速光学特性変化を実験と理論の両面から調べることにより、高強度超短パルスが引き起こすバンド内遷移、及びバンド間遷移(inter-band transition)からの異なる寄与の両方が超高速光学特性変化に対して重要な役割を果たすことが明らかとなってきた。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] politecnico di milano(イタリア)
• [国際共同研究] Max-Planck-Institute for Quantum(Germany)
• [国際共同研究] ETH Zurich(Switzerland)
• [国際共同研究] Vienna University of Technology(Austria)
• [雑誌論文] First-principles calculations for initial electronic excitation in dielectrics induced by intense femtosecond laser pulses (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato, Kazuhiro Yabana
  • 雑誌名: Laser-induced Damage in Optical Materials 2016 巻: 10014 ページ: 100141A-100141A
  • DOI: 10.1117/12.2243012
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Attosecond nonlinear polarization and light-matter energy transfer in solids (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Sommer, E.M. Bothschafter, S.A. Sato, C. Jakubeit, T. Latka, O. Razskazovskaya, H. Fattahi, M. Jobst, W. Schweinberger, V. Shirvanyan, V.S. Yakovlev, R. Kienberger, K. Yabana, N. Karpowicz, M. Schultze, F. Krausz
  • 雑誌名: Nature 巻: 534 号: 7605 ページ: 86-90
  • DOI: 10.1038/nature17650
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Attosecond dynamical Franz-Keldysh effect in polycrystalline diamond (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Lucchini, S.A. Sato, A. Ludwig, J. Herrmann, M. Volkov, L. Kasmi, Y. Shinohara, K. Yabana, L. Gallmann, U. Keller
  • 雑誌名: Science 巻: 353 号: 6302 ページ: 916-919
  • DOI: 10.1126/science.aag1268
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Femtosecond time-resolved dynamical Franz-Keldysh effect (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Otobe, Y. Shinohara, S.A. Sato, K. Yabana
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 号: 4 ページ: 045124-045124
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.045124
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Time-dependent density functional theory of high-intensity, short-pulse laser irradiation on insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: S.A. Sato, K. Yabana, Y. Shinohara, T. Otobe, K.M. Lee, G.F. Bertsch
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 20 ページ: 205413-205413
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.205413
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear elec- tronic excitations in crystalline solids using meta-generalized gradient approximation and hybrid functional in time-dependent density functional theory (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato, Yasutaka Taniguchi, Yasushi Shinohara and Kazuhiro Yabana
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 143 号: 22 ページ: 224116-224116
  • DOI: 10.1063/1.4937379
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Controlling ultrafast currents by the nonlinear photogalvanic effect (2015)
  • 著者名/発表者名: 3.Georg Wachter, Shunsuke A Sato, Isabella Floss, Christoph Lemell, Xiao-Min Tong, Kazuhiro Yabana, Joachim Burgdorfer
  • 雑誌名: New Journal of Physica 巻: 17 ページ: 123026-123026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protocol for observing molecular dipole excitations by attosecond self-streaking (2015)
  • 著者名/発表者名: G. Wachter, S. Nagele, S.A. Sato, R. Pazourek, M. Wais, C. Lemell, X.-M. Tong, K. Yabana, J. Burgdoerfer
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 92 号: 6 ページ: 061403-061403
  • DOI: 10.1103/physreva.92.061403
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Application of norm-conserving pseudopotentials to intense laser-matter interactions (2015)
  • 著者名/発表者名: X.-M. Tong, G. Wachter, S.A. Sato, C. Lemell, K. Yabana, J. Burgdoerfer
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 92 号: 4 ページ: 043422-043422
  • DOI: 10.1103/physreva.92.043422
  • NAID: 120007135689
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Attosecond band-gap dynamics in silicon (2014)
  • 著者名/発表者名: Martin Schultze, Krupa Ramasesha, C.D. Pemmaraju, S.A. Sato, D. Whitmore, A. Gandman, James S. Prell, L. J. Borja, D. Prendergast, K. Yabana, Daniel M. Neumark, and Stephen R. Leone
  • 雑誌名: Science 巻: 346 号: 6215 ページ: 1348-1352
  • DOI: 10.1126/science.1260311
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dielectric response of laser-excited silicon at finite electron temperature (2014)
  • 著者名/発表者名: S.A. Sato, Y. Shinohara, T. Otobe, K. Yabana
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 号: 17 ページ: 174303-174303
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.174303
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficient basis expansion for describing linear and nonlinear electron dynamics in crystalline solids (2014)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato, Kazuhiro Yabana
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 22 ページ: 224305-224305
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.224305
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab-initio simulation of electrical currents induced by ultrafast laser excitation of dielectric materials (2014)
  • 著者名/発表者名: Georg Wachter, Christoph Lemell, Joachim Burgdorfer, Shunsuke A. Sato, Xiao-Min Tong, Kazuhiro Yabana
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 号: 8 ページ: 087401-087401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.087401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Maxwell + TDDFT multi-scale simulation for laser-matter interactions (2014)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato, Kazuhiro Yabana
  • 雑誌名: 日本シミュレーション学会英文誌 巻: 1 号: 1 ページ: 98-110
  • DOI: 10.15748/jasse.1.98
  • NAID: 130004709208
  • ISSN: 2188-5303
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 固体に対するアト秒過渡吸収分光の第一原理計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤駿丞, 篠原康, 矢花一浩
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] First-principles simulation for attosecond spectroscopy of solids (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato
  • 学会等名: EMN Meeting on Ultrafast 2016
  • 発表場所: Melbourne, Australia
  • 年月日: 2016-10-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First-principles calculations for initial electronic excitations in dielectrics induced by intense femtosecond laser pulses (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato , Kazuhiro Yabana, Yasushi Shinohara, Kyung-Min Lee, Tomohito Otobe, George F. Bertsch
  • 学会等名: SPIE Laser Damage 2016
  • 発表場所: Boulder, Colorado, United States
  • 年月日: 2016-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Multiscale implementation of real-time TDDFT for nonlinear light-matter interactions (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato
  • 学会等名: 5th International Workshop on Massively Parallel Programming Now in Quantum Chemistry and Physics
  • 発表場所: University of Tokyo, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-11-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] TDDFT simulation for nonlinear interactions of extremely intense laser pulses with dielectrics (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato
  • 学会等名: The 18th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: University of Tokyo, Kashiwa, Japan
  • 年月日: 2015-11-09
  • 国際学会
• [学会発表] TDDFT simulation for early stage of non-thermal laser-processing (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato
  • 学会等名: Psi-k 2015 Conference
  • 発表場所: Kursaal Congress Centre, San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2015-09-06
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles calculations for ultrafast laser-induced damage in dielectrics (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato
  • 学会等名: CLEO 2015
  • 発表場所: San Jose, California, USA
  • 年月日: 2015-05-10
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー損傷閾値及びアブレーション深さの第一原理的解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 駿丞、矢花一浩、篠原康、乙部智仁、李畊旻、G.F. Bertsch
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 第一原理計算によるレーザー損傷閾値及び深さの解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 駿丞、矢花一浩、篠原康、乙部智仁、李畊旻、G.F. Bertsch
  • 学会等名: 応用物理学会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] First-principles calculation for electron dynamics in dielectrics induced by intense laser pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke A. Sato , Kazuhiro Yabana, Yasushi Shinohara, Kyung-Min Lee
  • 学会等名: APS March Meeting 2015
  • 発表場所: San Antonio, Texas, USA
  • 年月日: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [学会発表] Ab-initio simulation for initial process of ultrafast laser-processing (2014)
  • 著者名/発表者名: S.A. Sato, K. Yabana
  • 学会等名: International Symposium on Computics: Quantum Simulation and Design ISC-QSD2014
  • 発表場所: University of Tokyo, Tokyo
  • 年月日: 2014-12-01 – 2014-12-03
• [学会発表] レーザー加工における初期過程の第一原理的解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 駿丞、李畊旻、篠原康、乙部智仁、矢花一浩
  • 学会等名: 応用物理学会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [備考] プレスリリース
  • URL: https://www.ccs.tsukuba.ac.jp/pr/media/band_gap_dynamics_20141211