| 研究課題/領域番号 |
20K15194
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分30020:光工学および光量子科学関連
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
植本 光治 神戸大学, 工学研究科, 助教 (90748500)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | ナノフォトニクス / 非線形光学 / 第一原理計算 / 電子ダイナミクス / 半導体ナノ粒子 / 炭素材料 / フェムト秒レーザー / 電磁界解析 / 超高速現象 / TDDFT / メタ表面 / 大規模計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、高強度レーザーパルスとナノスケール人工構造（メタ物質・メタ表面）の光物質相互作用を、第一原理電子ダイナミクス計算と電磁界計算の結合手法によるマルチスケールシミュレーションから解明する。大規模シミュレーションを駆使した解析により、非線形分極、キャリア励起、光近接場増強の存在が、ナノ構造の光学応答への影響を定量的に予測し、これをもとに、非線形光学効果を高効率で実現するためのナノ構造の設計指導原理を明らかにする。本研究の結果は、ナノ構造の非線形効果を利用した新奇な光デバイスのデザインや、半導体表面のレーザー加工予測への応用など、多方面への大きな波及効果が期待できる。
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| 研究成果の概要 |
ナノスケールの薄膜や粒子、さらにこれらが周期配列された構造物の強レーザーパルス下において生じる摂動論的・非摂動論的な非線形光学効果を第一原理的な電子ダイナミクス計算により予測するための手法開発を本研究課題では実施した。時間依存密度汎関数理論による電子ダイナミクス計算と１～３次元の時間領域有限差分法による電磁界解析を結合させたマルチスケール計算手法にもとづくシミュレータ実装し、高速化・大規模化のため半導体ブロッホ方程式を電子系にもちいる手法開発を行った。さらに上記手法の応用として、半導体(シリコン)ナノ構造や２次元物質ナノ薄膜による高調波発生や可飽和吸収などの非線形効果を解析した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
ナノフォトニクス分野においてデバイス設計や特性予測に電磁界シミュレーションの存在は必要不可欠である。本研究で発展させた計算手法はナノ物質における従来直接的な取り扱いが困難であった非摂動論的非線形光学効果（高次高調波発生や可飽和吸収など）を考慮した電磁界シミュレーションを可能にする。さらに、開発されたツールをオープンソースの光科学シミュレータの一部として実装しWebで公開することで社会還元も行っている。
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