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2016 年度 実績報告書

第一原理計算に基づく極限パルス光と物質の相互作用の解明

研究課題

研究課題/領域番号 15H03674
研究機関筑波大学

研究代表者

矢花 一浩  筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (70192789)

研究分担者 乙部 智仁  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員(定常) (60421442)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
キーワードレーザー科学 / 時間依存密度汎関数理論 / 第一原理計算 / アト秒科学
研究実績の概要

高強度パルス光が誘電体に照射することにより、物質の誘電的性質が光の周期よりも短い時間で変化することを解明した。光に起因する電子ダイナミクス計算と、チューリッヒ工科大学の実験グループによるアト秒実験を組み合わせることにより、ダイアモンド薄膜に高強度の赤外パルス光を入射するとき、約42eV程度の領域でダイアモンドの誘電的な性質が、赤外光の1周期の中で変化することを実験と計算から示した。42eV付近の領域で、赤外光電場の大きさに依存する吸収の増大が確認され、またその上下のエネルギー領域では赤外光電場よりも少し遅れた時刻で吸収の減少が見られた。計算の内容を分析することにより、この吸収変化のメカニズムが動的フランツ・ケルディッシュ効果によることを明らかにした。また、直線偏光、円変更を含む動的フランツケルディッシュ効果の偏光依存性を考察し、円偏光の場合に効果が消失することを明らかにした。
誘電体に高強度パルス光を入射した際に生じる高次高調波発生に関して、時間依存密度汎関数理論による第一原理シミュレーションを行い、αクォーツの場合の結果を分析した。
パルス光と物質の相互作用を記述する、光電磁場のマクスウェル方程式と電子ダイナミクスに対する時間依存密度汎関数理論を組み合わせたマルチスケールシミュレーション法に関し、これまで1次元にとどまっていたマクスウェル方程式を2次元・3次元の場合に拡張した枠組みと計算コードの整備を行い、試験計算を行った。
フェルミオン多粒子系として関連する原子核物理学において、時間依存密度汎関数理論に基づくシミュレーションを実施し、Z=120原子核の生成に関連する原子核融合過程を調べた。また原子核物理学における時間依存密度汎関数理論のレビュー論文において、電子多体系との比較に関する章を分担執筆した。

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

以下に述べるように、研究の成果が得られるとともに新たな取り組みが始まっており、研究は概ね順調に進捗していると判断している。
動的フランツ・ケルディッシュ効果に関しては、実験グループとの共同研究により論文を発表するとともに、偏光依存性を明らかにするなど進展が得られた。誘電体に高強度パルス光を入射することで発生する高次高調波発生に関しても、論文発表を行うとともに様々な効果の検証を進めている。また新たな取り組みとして、グラファイトやカルコゲナイドなどの2次元物質に対する取り組みも始めている。
我々が開発する新しいシミュレーション法である、光電磁場に対するマクスウェル方程式と電子ダイナミクスに対する時間依存密度汎関数理論を多階層で連結したシミュレーション法に関して、これまで計算機能力の制約から1次元の光電磁場と3次元の電子ダイナミクス計算に限られていたものを、2次元・3次元の光電磁場まで拡張したことは、今後の展開に向けた大きなステップである。
また、関連する物質相である原子核物理においても成果が得られており、計算科学手法が分野の垣根を越えて有効であることを示すことができた。

今後の研究の推進方策

我々の進める時間依存密度汎関数理論に基づく電子ダイナミクスの第一原理シミュレーション法は、特にアト秒科学の分野において極めて有効であることが明らかになっており、さらに多様な実験への応用と現象の解明を目指して、実験グループとの共同研究を進めたいと考えている。
これまでは、バンドギャップが光振動数よりも大きい透明誘電体を主に対象としてきたが、さらに金属と高強度パルス光の相互作用も対象とした研究を進めたいと考えている。そのためには、金属表面と光電磁場の相互作用を同時に記述することが必要となり、2次元的に周期性を持ち1次元方向に周期的のない問題を扱う必要がある。このような場合への計算コードの拡張と現象の分析へ進展させたいと考えている。またこの枠組みは、近年発展の著しい2次元的な原子層と光の相互作用を解明する上でも有効であると考えられる。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 7件、 謝辞記載あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 9件、 招待講演 10件)

  • [国際共同研究] ETH Zurich(Switzerland)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      ETH Zurich
  • [国際共同研究] Max Planck Institute for Quantum Optics(Germany)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Max Planck Institute for Quantum Optics
  • [雑誌論文] 高強度超短パルスレーザーと誘電体の相互作用を記述する第一原理計算2017

    • 著者名/発表者名
      矢花一浩, 佐藤駿丞, 篠原康, 乙部智仁
    • 雑誌名

      固体物理

      巻: 52 ページ: 139-148

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Attosecond dynamical Franz-Keldysh effect in polycrystalline diamond2016

    • 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 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] Attosecond nonlinear polarization and light-matter energy transfer in solids2016

    • 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 ページ: 86-90

    • DOI

      10.1038/nature17650

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Time-dependent Hartree-Fock calculations for multinucleon transfer and quasifission processes in the Ni64 + U238 reaction2016

    • 著者名/発表者名
      K. Sekizawa, K. Yabana
    • 雑誌名

      Physical Review C

      巻: 93 ページ: 054616

    • DOI

      10.1103/PhysRevC.93.054616

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Time-dependent density-functional description of nuclear dynamics2016

    • 著者名/発表者名
      T. Nakatsukasa, K. Matsuyanagi, M. Matsuo, K. Yabana
    • 雑誌名

      Reviews of Modern Physics

      巻: 88 ページ: 045004

    • DOI

      10.1103/RevModPhys.88.045004

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High-harmonic generation in alpha-quartz by electron-hole recombination2016

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 94 ページ: 235152

    • DOI

      10.1103/physrevb.94.235152

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Multi-Scale Simulation for Transient Absorption Spectroscopy under Intense Few-Cycle Pulse Laser2016

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 雑誌名

      Photonics

      巻: 3 ページ: 63

    • DOI

      10.3390/photonics3040063

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Time-resolved dynamical Franz-Keldysh effect produced by an elliptically polarized laser2016

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 94 ページ: 165152

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.94.165152

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Sub-cycle nonlinear response under intense laser field: Theory, Simulation, and Experiment2017

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 学会等名
      International Symposium on Ultrafast Dynamics in Molecular and Material Sciences
    • 発表場所
      分子科学研究所(愛知県岡崎市)
    • 年月日
      2017-03-06 – 2017-03-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Maxwell + TDDFT Multiscale Simulation for Attosecond Spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      K. Yabana
    • 学会等名
      10th International Conference on Computational Physics
    • 発表場所
      Cotai District, Macao, China
    • 年月日
      2017-01-16 – 2017-01-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Maxwell + TDDFT multiscale description for interactions of intense pulsed light with dielectrics2016

    • 著者名/発表者名
      K. Yabana
    • 学会等名
      7th Time-Dependent Density-Functional Theory: Prospects and Applications
    • 発表場所
      Benasque, Spain
    • 年月日
      2016-09-11 – 2016-09-23
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Time-dependent density functional theory for interactions of intense pulsed light with dielectrics2016

    • 著者名/発表者名
      K. Yabana
    • 学会等名
      KAIST Frontiers in DFT & Beyond Workshop
    • 発表場所
      KAIST, Daejeon, Korea
    • 年月日
      2016-08-16 – 2016-08-16
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Real-time first-principle calculation for the laser-matter interaction2016

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 学会等名
      Progress in electromagnetics research symposium
    • 発表場所
      Shanghai, China
    • 年月日
      2016-08-09 – 2016-08-09
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Attosecond and sub-cycle spectroscopy under an intense laser field: Theory, Simulation and Experiment2016

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 学会等名
      International Symposium on Attosecond Science
    • 発表場所
      東京大学本郷キャンパス(東京都文京区)
    • 年月日
      2016-07-30 – 2016-07-30
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 第一原理計算によるフェムト秒レーザ加工初期過程の解明2016

    • 著者名/発表者名
      矢花一浩
    • 学会等名
      第85回レーザ加工学会講演会
    • 発表場所
      大阪大学吹田キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2016-06-09 – 2016-06-10
    • 招待講演
  • [学会発表] Femtosecond time-resolved Dynamical Franz-Keldysh effect2016

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 学会等名
      Annual World Congress of Advanced Material 2016
    • 発表場所
      Chongqing, China
    • 年月日
      2016-06-07 – 2016-06-07
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] First-principles simulation for strong and ultra-short laser pulse propagation in dielectrics2016

    • 著者名/発表者名
      K. Yabana
    • 学会等名
      SPIE Defence+Security, Ultrafast Bandgap Photonics workshop
    • 発表場所
      Baltimore, USA
    • 年月日
      2016-04-17 – 2016-04-21
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Femtosecond Time-Resolved Dynamical Franz-Keldysh effect2016

    • 著者名/発表者名
      T. Otobe
    • 学会等名
      EMN meeting on optoelectronics
    • 発表場所
      Phuket, Thailand
    • 年月日
      2016-04-12 – 2016-04-12
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2018-01-16  

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