| 研究課題/領域番号 |
17K19051
|
|---|
| 研究機関 | 東京工業大学 |
|---|
研究代表者 |
中村 一隆 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (20302979)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2020-03-31
|
| キーワード | 量子メモリ / 光学フォノン / ダイヤモンド / フェムト秒レーザー |
|---|
| 研究実績の概要 |
コヒーレンスを利用した新しい量子技術では、室温で動作する量子演算機構の開発が必要とされている。本研究の目的は、ダイヤモンドの光学フォノン量子状態を用いることで、室温において40 THzで動作する量子メモリ技術を開発することである。具体的には、位相制御したフェムト秒パルス列を用いることで、ダイヤモンドの光学フォノン量子状態への情報の「書き込み」「制御」「読み出し」を実現する技術開発を目的とする。 2018年度までに、サブ10 fsの近赤外パルスを用いたポンプ・プローブ型の過渡透過光強度測定を行い、透過光強度に25 fs周期の振動を観測した。これはダイヤモンド光学フォノン(40 THz)によるものと同定できた。また、マイケルソン干渉計を用いて位相ロックしたパルス対としてダイヤモンドの励起を行った。ポンプパルス対の時間間隔を300 asステップで変化させながら、過渡透過光強度測定を行なった。その結果、光学フォノンの振幅強度をコヒーレント制御することができた。また、ポンプパルス対時間間隔0 fs付近では光パルス干渉の影響も観測された。こうした結果は、光学フォノン量子状態への情報の「書き込み」と「読み出し」、および第２ポンプパルスによる「書き換え」ができたことに対応する。理論研究ではポンプパルス対が十分に離れた条件でのコヒーレント制御過程を、電子2準位系と変位した調和振動子からなる系を考え、量子リウビル方程式を摂動計算すること定式化することができた。
|
| 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
40THz振動の実時間観測が安定して行えるようになった。この過程は、フォノン量子状態への情報「書き込み」と「読み込み」に対応する。また、パルス光をマイケルソン干渉計を用いて、位相ロックしたパルス対にすることで光学フォノンのコヒーレント制御実験できるようになった。特に、マイケルソン干渉計のアームを自動制御して過渡透過光強度変化を測定できるようなプログラムを作成することで、300asの時間ステップで遅延時間を変えながら測定することが可能になった。また、マイケルソン干渉計出口でパルス対の光学干渉を同時測定できるようにした。この干渉パターンとレーザーオシレータ出口で測定した波長スペクトルおよびフリンジ分解自己相関波形を比較し、チャープを無視した仮定から光電場波形を推定できるようになった。また、位相制御ポンプパルス対を用いることでフォノン状態の「書き換え」もできるようになった。理論研究では、電子2準位系と変位した調和振動子からなる系を考え、量子リウビル方程式を摂動計算すること定式化することができた。特に、フォノン生成過程だけでなく、ヘテロダイン検出までを含めた理論を構築することができた。 230 fs-270fsの時間範囲内でのダイヤモンド光学フォノン量子状態制御に関しては、Scientific Report誌に発表した。またプレスリリースも行なっている。この成果は高く評価され、２０１９年度の国際会議で招待講演の依頼を受けている。
|
| 今後の研究の推進方策 |
ダイヤモンド光学フォノン量子状態のコヒーレント制御を、短時間制御や光学干渉の除去といったより精緻な制御を達成するために2019年度も研究を実施する。当初計画の共線型実験に加えて、平行型配置の実験を行うとともに、四光波混合過程を考慮したコヒーレント制御の精緻な理論構築を行う。これまでに、マイケルソン干渉計を使って発生するポンプパルス対は共線型配置で試料への照射を行い、パルスの重なっている時間領域では光振動周期に対応する干渉を観測しているが、そもそも干渉計内での干渉のため光が照射ポートに出てこないで、試料にあたってない可能性がある。これを防ぐために、平行型配置でのポンプパルス対を用いて実験することでダイヤモンド内部での光過程の干渉を明らかにする。理論構築に関しては、2018年までに構築したモデルをポンプパルス対がオーバーラップした条件までに拡張する。この際に四光波混合過程を考慮する。基本的にはポンプ１励起してポンプ２で脱励起する経路を加える。また、サブ10 fsパルス励起に特有な条件として、光学干渉計測から推定したパルス形状を反映した数値計算をおこない、コヒーレント制御測定にあらわれる光干渉効果の解析も行う。さらに、コヒーレントフォノン生成に関して回転波近似を用いない理論構築も行う。
こうしたコヒーレントフォノンの過渡透過率計測の実験と理論構築に加えてラマン散乱光測定も引き続き行う。研究成果については国内国際会議等で積極的に発表する。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用が生じた理由：研究室で保有していたファイバー分光器を流用することで、新規分光器購入費用が節約できたことに加えて、測定光学系作成においても研究室保有の光学部品およびミラー類を使用することで、光学部品購入費用が節約できたためである。
使用計画：平行型配置での干渉実験を行うための、光学部品および試料となるダイヤモンド単結晶の購入に使用予定である。また、レーザーのメンテナンス費用に使用予定である。研究成果のため、国際会議（ICMAT2019, DCM2019など）および国内会議（応用物理学会、光物性研究会など）への会議参加費と旅費、および学会への投稿論文発表のための英文校閲および掲載費用に使用予定である。
|
