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高強度レーザー場中の固体多電子ダイナミクスの実時間波動関数理論

研究課題

研究課題/領域番号 22K18982
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分30:応用物理工学およびその関連分野
研究機関東京大学

研究代表者

石川 顕一  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70344025)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワードアト秒科学 / 高強度場物理 / 第一原理計算 / レーザー加工
研究開始時の研究の概要

近年急速に注目されている、高強度フェムト秒レーザーパルスを照射された固体(半導体 、誘電体)中で起こる高強度場現象、すなわち、価電子帯から伝導帯への強励起(多光子励起やトンネル遷移)、バンド内での電子ダイナミクス、キャリア散乱、高次高調波発生等の過程を、電子相関を含めて正確にシミュレーションする実時間第一原理計算手法を開拓する。高強度フェムト秒レーザーと固体の相互作用を、動的電子相関を含めて正確に理解 するために必要な、第一原理計算の空白地帯ともいえる固体の波動関数理論、しかもその時間依存版を世界にさきがけて開発しようとする。

研究実績の概要

高強度フェムト秒レーザーパルスを照射された固体(半導体 、誘電体)電子系で起こる高強度場現象や超高速電子ダイナミクスは、学術的にも最先端で、また レーザー加工、ペタヘルツエレクトロニクスなどの産業応用の観点からも重要であり、近年急速に注目されている。本研究では、高強度場現象、すなわち、価電 子帯から伝導帯への強励起(多光子励起 やトンネル遷移)、バンド内での電子ダイナミクス、キャリア散乱、高次高調波発生等の過程を、電子相関を含めて正確にシミュレーションする実時間第一原理計算手法を開拓する。我々がこれまで原子・分子を対象に開発してきた独自の卓越した第一原理計算技術を、固体を取 り扱えるように拡張する。我々が気相の原子・分子で多くの成果をあげている多配置展開とクラスター展開を試し、より効率的なものを探索する。
レーザーと電子系の相互作用を電気双極子近似で取り扱う場合、その相互作用ハミルトニアンは長さゲージと速さゲージの2通りで表現できる。どちらのゲージで計算しても物理量(観測可能量)は同じ値になる。固体電子系に対して、我々はこれまで速さゲージでの計算をしてきたが、物理的な直観よりもはるかに多くのバンドを計算に取り入れる必要がある。一方、長さゲージを使う場合にはバンドの数は少なくてすむが、ブロッホ関数の位相を求める必要があり、その求め方は未解決問題である。従来の試みのような現象論的な位相の決め方ではなく、量子電磁気学的基底状態のエネルギー最小化という指導原理により変分的にブロッホ関数の位相を決定できないか、検討を進めている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

結合クラスター展開に基づく虚数時間発展で基底状態が得られたことに加え、重要な未解決問題であるブロッホ関数の位相問題についても、検討を進められている。

今後の研究の推進方策

時間依存最適化ユニタリ結合クラスター法による実時間発展計算を試みる。また、ブロッホ関数の複素位相の問題について検討を続ける。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 8件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Enhanced energy deposition and carrier generation in silicon induced by two-color intense femtosecond laser pulses2022

    • 著者名/発表者名
      Tani Mizuki、Sasaki Kakeru、Shinohara Yasushi、Ishikawa Kenichi L.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 19 ページ: 195141-195141

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.195141

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] A gauge problem of electronic structure calculations2024

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Katow
    • 学会等名
      Second Workshop on Fundamentals in Density Functional Theory (DFT2024)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhanced energy absorption in silicon by femtosecond laser double pulses with different wavelengths2023

    • 著者名/発表者名
      Eiyu Gushiken
    • 学会等名
      †he 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Wavelength Dependence of Energy Transfer from Femtosecond Laser Double Pulse to Silicon2023

    • 著者名/発表者名
      Eiyu Gushiken
    • 学会等名
      The European Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO Europe)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electron excitation dynamics in silicon irradiated by femtosecond double pulses of different wavelength combination (poster)2023

    • 著者名/発表者名
      Eiyu Gushiken
    • 学会等名
      International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions (ICPEAC)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Theory for ionization rate of dielectrics in two-color strong laser fields2023

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Tani
    • 学会等名
      International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions (ICPEAC)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Energy Transfer from Multi-Color/Multi-Pulse Femtosecond Laser Fields to Silicon2023

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Tani, Kakeru Sasaki, Eiyu Gushiken, Daiju Horii, Hiroki Katow, Yasushi Shinohara, Kenichi L. Ishikawa
    • 学会等名
      ICCNAAM Quantum Science (QS) Symposium 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ab Initio Study on Enhanced Energy Transfer from Intense Dual-Color Laser Fields to a Semiconductor2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Tani, Kakeru Sasaki, Yasushi Shinohara, and Kenichi L. Ishikawa
    • 学会等名
      ATTO Ⅷ Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhanced Energy Transfer from Two-Color Femtosecond Laser Pulses to Silicon (口頭)2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuki Tani, Kakeru Sasaki, Yasushi Shinohara, and Kenichi L. Ishikawa
    • 学会等名
      12th Asian Symposium on Intense Laser Science
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 東京大学大学院工学系研究科原子力国際専攻石川顕一研究室

    • URL

      https://www.atto.t.u-tokyo.ac.jp

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 東京大学大学院工学系研究科石川研究室

    • URL

      https://www.atto.t.u-tokyo.ac.jp

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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