アト秒位相分解波動関数イメージング法による新規な量子選択性の研究

• 研究課題/領域番号: 18H03903
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分32:物理化学、機能物性化学およびその関連分野
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 新倉 弘倫 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10500598)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 34,580千円 (直接経費: 26,600千円、間接経費: 7,980千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2020年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2019年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2018年度: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
• キーワード: アト秒物理 / 波動関数 / 高次高調波 / 量子制御 / 極端紫外光 / アト秒科学 / 波動関数イメージング / 光イオン化 / 極端紫外領域 / アト秒 / 原子位相 / 電子波動関数 / 光電子分光 / 高強度レーザー / 極端紫外レーザー / 超短レーザーパルス

研究成果の概要

電子の波動関数は、原子・分子の電子構造や分子構造、機能などを理解するために重要な概念である。一般に波動関数は位相と振幅からなる複素数の分布として表されるため、その可視化は困難だった。本課題では、赤外の高強度超短レーザーパルスと極端紫外領域の波長可変のアト秒レーザーパルス列を用いて、波動関数の磁気量子数をわけてイオン化する物理機構を明らかにし、また２つのイオン化過程の干渉により光電子の位相と振幅の分布を測定した。これらから個々のイオン化過程で生じた複素数の電子波動関数を可視化できた。また、新たに開発した２次元アト秒測定法により、光電子の位相を原子由来の原子位相とを分けて測定することに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

極端紫外光を物質に照射し、放出される光電子のエネルギーや運動量を測定する（角度分解）光電子分光法は、気相原子分子だけではなく、様々な物質解析の基礎となる測定法である。一方、電子の量子的な性質である「位相分布」を実験的に得ることは困難だった。本研究課題では、アト秒レーザーパルスを用いて「電子の運動量ごとの」位相差を測定する方法を開発し、複素数の波動関数を可視化した。これはアト秒科学の最先端に位置するだけではなく、今後の量子技術の基盤となりうる。本研究によって開発されたアト秒位相分解光電子運動量分光法を、分子や固体、ナノ物質などへ展開することで、量子的な性質を利用した新たな物質開発が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] National Research Council/University of Ottawa(カナダ)
• [国際共同研究] カナダ国立研究機構/オタワ大学(カナダ)
• [国際共同研究] カナダ国立研究機構(カナダ)
• [国際共同研究] マックスボルン研究所(ドイツ)
• [雑誌論文] High-resolution attosecond imaging of an atomic electron wave function in momentum space (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Takashi、Shinoda Tasuku、Villeneuve D. M.、Niikura Hiromichi
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 106 号: 6
  • DOI: 10.1103/physreva.106.063513
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Complete characterization of attosecond photoelectron wave packets (2021)
  • 著者名/発表者名: D. M. Villeneuve, Peng Peng, Hiromichi Niikura
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 104 号: 5
  • DOI: 10.1103/physreva.104.053526
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Population transfer to high angular momentum states in infrared-assisted XUV photoionization of helium (2020)
  • 著者名/発表者名: Mayer Nicola、Peng Peng、Villeneuve David M、Patchkovskii Serguei、Ivanov Misha、Kornilov Oleg、Vrakking Marc J J、Niikura Hiromichi
  • 雑誌名: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 巻: 53 号: 16 ページ: 164003-164003
  • DOI: 10.1088/1361-6455/ab9495
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High conversion efficiency of an optical parametric amplifier pumped by 1 kHz Ti:Sapphire laser pulses for tunable high-harmonic generation (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Yu. Naumov, D. M. Villeneuve, and Hiromichi Niikura
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 28 号: 3 ページ: 4088-4098
  • DOI: 10.1364/oe.383489
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Selection of the magnetic quantum number in resonant ionization of neon using an XUV-IR two-color laser field (2020)
  • 著者名/発表者名: Serguei Patchkovskii, Marc J J Vrakking, D M Villeneuve and Hiromichi Niikura
  • 雑誌名: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 巻: 53 号: 13 ページ: 134002-134002
  • DOI: 10.1088/1361-6455/ab82e0
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Phase and amplitude characterization of partial waves in an attosecond continuum electron wavepacket (2021)
  • 著者名/発表者名: H Niikura, S Patchkovskii, P Peng, M J J Vrakking, D M Villeneuve
  • 学会等名: 32nd International Conference on Photonics, electronic and atomic collisions (ViCPEAC 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Phase - resolved imaging of an atto second electron wavepacket (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiromichi Niikura
  • 学会等名: Symposium on Recollision Physics 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] アト秒レーザーによる高分解能での複素数の波動関数の可視化に成功
  • URL: https://www.waseda.jp/top/news/86827
• [備考] Visualizing Complex Electron Wavefunction
  • URL: https://www.waseda.jp/top/en/news/77045
• [備考] 光と原子の位相を分離した測定に成功
  • URL: https://www.waseda.jp/top/news/76992
• [備考] アト秒レーザーによる新たな量子制御
  • URL: https://www.waseda.jp/top/news/69431