次世代極短パルスレーザーによるアト秒科学の新展開

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05250
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 板谷 治郎 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50321724)
• 研究期間 (年度): 2018-06-11 – 2023-03-31
• キーワード: 極短パルスレーザー / アト秒科学 / 非線形光学 / 軟X線分光 / 超高速分光

研究実績の概要

令和２年度は、以下の三項目についての研究を推進した。
（１）Ti:sapphireレーザーで励起された高強度赤外光源を用いたアト秒軟X線分光：窒素K吸収端（光子エネルギー400eV）での過渡吸収分光を三原子分子N2Oに対して実施し、特徴的な二倍波振動（周期5.3fs）を観測した。この原因については理論研究者によるシミュレーションが進行中であるが、内核励起によって空軌道に遷移し、ゆるく分子に束縛した電子が強レーザー場でイオン化するためと解釈している。また、軟X線過渡吸収分光の対象を広げるために、常温で液体の有機分子サンプルを導入する機構を開発し、炭素K吸収端（光子エネルギー280eV）での吸収スペクトルを確認した。「水の窓」領域における水和分子の過渡吸収分光実現のために水薄膜ジェットの試作に着手し、1ミクロン程度の薄膜ジェットを大気中で発生させることに成功した。軟X線ビームラインに関しては、軟X線分光器の高度化を実施し、エネルギー分解能の向上を図った。また、軟X線アト秒パルスの時間幅を観測するための磁気ボトル型光電子分光器の開発に着手した。また、強レーザー場中でのトンネルイオン化と再散乱に関する光電子計測を行い、再散乱に伴う量子力学的なカットオフの存在を実証した。
（２）Yb固体レーザーで励起された高繰り返し極短パルス光源の開発：Yb固体レーザーを励起源として繰り返し10kHzで動作する光パラメトリック増幅器を開発し、中心波長2200nmで時間幅30fs程度の中赤外パルス発生に成功した。
（３）高強度中赤外光源の開発と固体のアト秒分光：Yb固体レーザーをベースとした中赤外光パラメトリック光源を開発し、波長7-17ミクロン帯でキャリア・エンベロープ位相安定な中赤外パルス発生に成功し、ディラック半金属におけるTHｚ高調波発生実験を行った。

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

アト秒軟X線分光に関しては、炭素K吸収端および窒素K吸収端を利用した軟X線過渡吸収分光が定常的に可能となり、小さな分子からより大きな分子、あるいは、溶液中の水和分子などへの対象拡大が急務となった。このような観点から、軟X線分光器のエネルギー分解能の向上に加えて、常温で液体の有機分子や水和分子などの多様なサンプルを扱うための要素技術開発を集中的に実施し、ビームラインの高度化を順調に進めた。また、アト秒軟X線パルスの波形計測のための磁気ボトル型光電子分光器の開発も順調に進んでいる。トンネルイオン化に伴う再散乱現象は強レーザー場中での原子分子におけるもっとも基本的な電子過程であるが、そのカットオフ構造の詳細な計測を行った結果、トンネルイオン化に伴う量子力学的な電子のふるまいが明らかとなった。この成果は、計画当初には想定していなかったものである。Yb固体レーザーを励起源とした光源開発については、前年度に引き続き中赤外域の光パラメトリック増幅器の開発を進め、波長2.2ミクロン帯で30フェムト秒の高強度極短パルスを得た。高強度中赤外光源を用いた固体のアト秒分光に関しては、従来よりもさらに長波長側となる波長7～17ミクロン帯での位相安定な中赤外パルス発生に成功し、固体分光への応用実験を行った。

今後の研究の推進方策

アト秒軟X線分光に関しては、有機分子および水和分子を対象とした実験に挑戦する。そのために、水薄膜ジェットを真空チャンバー中へ導入する機構を開発する。有機分子を対象としたアト秒軟X線分光では可視～紫外域の極短パルスが必要であり、その光源開発も進める。さらに、開発中の磁気ボトル型光電子分光器を軟X線ビームラインに導入し、軟X線アト秒パルスの波形計測に着手する。
Yb固体レーザーを励起源とした高繰り返し光源の開発に関しては、波長１ミクロン励起の中赤外光パラメトリック増幅器の短パルス化と、高次高調波発生用ビームラインの開発を進める。また、極短紫外領域でのアト秒パルス発生のために、Yb固体レーザーの二倍波で励起される広帯域光パラメトリック増幅器の開発に着手する。

研究成果

• [国際共同研究] University of Central Florida(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Central Florida
• [国際共同研究] Moscow Inst. of Physics and Technology(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Moscow Inst. of Physics and Technology
• [国際共同研究] Max Plank Institite of Quantum Optics/Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Plank Institite of Quantum Optics/Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen
• [雑誌論文] Detecting electron-phonon coupling during photoinduced phase transition (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Suzuki, Yasushi Shinohara, Yangfan Lu, Mari Watanabe, Jiadi Xu, Kenichi L. Ishikawa, Hide Takagi, Minoru Nohara, Naoyuki Katayama, Hiroshi Sawa, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Jiro Itatani, Takashi Mizokawa, Shik Shin, and Kozo Okazaki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 103 ページ: L121105-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.L121105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-domain spectroscopy of optical parametric amplification for phase-stable terahertz-to-midinfrared pulses (2021)
  • 著者名/発表者名: Natsuki Kanda, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Ryusuke Matsunaga
  • 雑誌名: arXiv:2005.03538 巻: 2005 ページ: 03538
  • DOI: 10.1364/OE.413200
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Efficient Terahertz Harmonic Generation with Coherent Acceleration of Electrons in the Dirac Semimetal Cd3As2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Bing Cheng, Natsuki Kanda, Tatsuhiko N. Ikeda, Takuya Matsuda, Peiyu Xia, Timo Schumann, Susanne Stemmer, Jiro Itatani, N.P. Armitage, and Ryusuke Matsunaga
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 124 ページ: 117492
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.117402
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 中赤外光パルスを用いた固体高次高調波発生とその偏光特性（解説） (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井順久, 金島圭佑, 夏沛宇, 斎藤成之, 金井輝人, 板谷治郎
  • 雑誌名: レーザー研究 「新たな展開を見せる高次高調波発生」解説特集号 巻: 49 ページ: 168-173
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of virtual band population for high harmonic generation in solids (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Sanari, Hideki Hirori, Tomoko Aharen, Hirokazu Tahara, Yasushi Shinohara, Kenichi L. Ishikawa, Tomohito Otobe, Peiyu Xia, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Shunsuke A. Sato, and Yoshihiko Kanemitsu
  • 雑誌名: Phys. Rev. B (Rapid Communication) 巻: 102(4) ページ: 041125(R)-1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.041125
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 軟X線領域でのアト秒分光 (解説) (2020)
  • 著者名/発表者名: 斎藤成之
  • 雑誌名: 光学 「2019年日本の光学研究」特集号 巻: 49 ページ: 249
  • 査読あり
• [学会発表] Yb:KGWレーザー高調波による白色光スーパーコンティニューム発生 (2021)
  • 著者名/発表者名: 栗原貴之, 楊添淇, 水野智也, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: レーザー学会第41回年次大会
• [学会発表] ハーフサイクルカットオフ近傍の再散乱光電子スペクトルにおける量子補正の検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 水野智也, 楊添淇, 石井順久, 金井輝人, Oleg Tolstikhin, 森下亨, 板谷治郎
  • 学会等名: レーザー学会第41回年次大会
• [学会発表] 軟X線吸収分光による環状分子の光開環ダイナミクスの研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 栗本悠一郎, 齋藤成之, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎, 斉田謙一郎, 武次徹也, 関川 太郎
  • 学会等名: レーザー学会第41回年次大会
• [学会発表] Development and characterization of a high-repetition, quasi-single cycle near infrared light source with passively stabilized carrier envelope phase and its application to quantum interference in semiconductor electrons (2021)
  • 著者名/発表者名: 栗原貴之, Christoph Schoenfeld, Daniele Brida, Alfred Leitenstorfer
  • 学会等名: レーザー学会第41回年次大会
• [学会発表] 高次高調波レーザー時間分解 ARPES による 1T-TaS2における光誘起金属相と電子-格子相互作用の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 任千慧, 鈴木剛, 金井輝人, 板谷治郎, 辛埴, 岡崎浩三
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 時間分解ARPESで調べる電荷密度波物質 VTe2の光誘起トポロジカル表面状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三石夏樹, 鈴木剛, 上谷学, 渡邉真莉, 任千慧, 劉珂成, 藤澤正美, 金井輝人, 板谷治郎, 酒井英明, 高橋英史, 石渡晋太郎, 岡崎浩三, 辛埴, 石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 有機強誘電体Hdppz-Hcaのプロトン動的再配列による超高速強誘電性制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松島遼, 石川忠彦, 腰原伸也, 夏沛宇, 板谷治郎, 堀内佐智雄, 沖本洋一
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Regulation of asymmetric interlayer distributions of carriers in Twisted Bilayer Graphene and dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuhao Zhao, Takeshi Suzuki, Takushi Iimori, Sung Joon Ahn, Joung Real Ahn, Jiadi Xu, Qianhui Ren, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Jiro Itatani, Kozo Okazaki, Shik Shin, Hirokazu Fukidome, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 高次高調波レーザー時間角度分解光電子分光を用いたSmSの価数転移ダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村拓人, 渡邊浩, 鈴木剛, 任千慧, 劉珂成, 金井輝人, 板谷治郎, 辛埴, 岡﨑浩三, 井村敬一郎, 鈴木博之, 佐藤憲昭, 木村真一
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 二次元飛行時間型アナライザを用いた超高速時間・角度分解レーザー光電子分光システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤祐輔, 栗原貴之, 板谷治郎, 松田巌
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Ultrafast electron emission from a grating structure assisted by propagating surface plasmons using mid-IR fields (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Mizuno, Kengo Takeuchi, Keisuke Kaneshima, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Jiro Itatani
  • 学会等名: Optics & Photonics International Congress (OPIC) 2020, ALPS2020
  • 国際学会
• [学会発表] Development of laser-based soft x-ray attosecond pulse sources and their application to transient absorptin spectroscopy in gaseous media (2020)
  • 著者名/発表者名: Nobuhisa Ishii, Nariyuki Saito, Teruto Kanai, Jiro Itatani
  • 学会等名: Optics & Photonics International Congress (OPIC) 2020, LSC2020
  • 国際学会
• [学会発表] 軟X線吸収分光による環状分子の光開環ダイナミクスの研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 栗本悠太郎, 齋藤成之, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎, 斉田謙一郎, 武次徹也, 関川太郎
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ハーフサイクルカットオフ近傍の光電子収量と断熱理論を用いた後方弾性散乱断面積の導出とその定量性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 水野智也, 楊添淇, 石井順久, 金井輝人, Oleg. I. Tolstikhin, 森下亨, 板谷治郎
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ディラック半金属におけるテラヘルツ高次高調波の発生機構と電子の散乱・緩和時間依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 池田達彦, Bing Cheng, 神田夏輝, 松田拓也, 夏沛宇, Timo Schumann, Susanne Stemmer, 板谷治郎, N. P. Armitage, 松永隆佑
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 3 次元ディラック半金属 Cd3As2 薄膜における室温高効率テラヘルツ高次高調波発生と非平衡ダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 神田夏輝, Bing Cheng, 池田達彦, 松田拓也, 夏沛宇, Timo Schumann, Susanne Stemmer, 板谷治郎, N. P. Armitage, 松永隆佑
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] GaAs を用いた非摂動論的な高次高調波発生の特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 玉谷知裕, 夏沛宇, Faming Lu, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 金昌秀, 秋山英文, 加藤岳生
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] ハーフサイクルカットオフ近傍の光電子収量分布を用いた二重微分弾性散乱断面積の決定法の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 水野智也, 楊添淇, 石井順久, 金井輝人, Oleg I. Tolstikhin, 森下亨, 板谷治郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 二次元飛行時間型アナライザを用いた時間・角度分解レーザー光電子分光システムの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐藤祐輔, 栗原貴之, 板谷治郎, 松田巌
  • 学会等名: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 高強度極短パルス光源とアト秒科学の現状 (2020)
  • 著者名/発表者名: 板谷治郎
  • 学会等名: 第27回レーザー夏の学校
  • 招待講演
• [学会発表] Attosecond Transient Absorption Spectroscopy of Diatomic and Triatomic Molecules at 400 eV (2020)
  • 著者名/発表者名: Nariyuki Saito, Hiroki Sannohe, Nobuhisa Ishii, Nicolas Douguet, Teruto Kanai, Nobuhiro Kosugi, Yi Wu, Andrew Chew, Seunghwoi Han, Barry Schneider, Jeppe Olsen, Luca Argenti, Zenghu Chang, and Jiro Itatani
  • 学会等名: High-brightness Sources and Light-driven Interactions Congress / High-Intensity Lasers and High-field Phenomena (HILAS)
  • 国際学会
• [学会発表] ハーフサイクルカットオフ近傍の再散乱光電子スペクトルにおける断熱理論に基づいた分離公式の実験的検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 水野智也, 楊添淇, 石井順久, 金井輝人, 栗原貴之, Oleg I. Tolstikhin, 森下亨, 板谷治郎
  • 学会等名: 原子衝突学会第45回年会