| 研究課題/領域番号 |
19H02637
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| 研究機関 | 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所 |
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研究代表者 |
増子 拓紀 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 特別研究員 (60649664)
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| 研究分担者 |
小栗 克弥 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主幹研究員 (10374068)
石澤 淳 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (30393797)
加藤 景子 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (40455267)
日達 研一 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (60564276) [辞退]
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | アト秒科学 / 高強度物理 / 超高速物理 / 原子・分子光学物理 / 量子光エレクトロニクス / 超高速光学 / 量子光学 / アト秒パルス |
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| 研究実績の概要 |
可視・紫外領域の光電界は、ペタヘルツ（1015 Hz）級の周波数に達し、誘起される電子分極は、光物質相互作用に伴う様々な物理現象を生み出す。本研究では、アト秒（10-18 秒: as）パルスを用いて、固体物質内部で生じる電子分極応答（吸収・屈折・電流・光合成）の物理起源の解明およびアト秒時間制御に挑戦する。本研究は３つの主課題に分けられる：【課題１】ダブルアト秒パルスを用いた屈折分光法の確立、【課題2】pn接合半導体の初期電子応答の解明、【課題3】光合成の初期化学反応過程の解明。
初年度（2019年度）は【課題１】に対して、超広帯域連続スペクトルを持つダブルアト秒パルスを用いた位相干渉計測に成功した。これにより超高時間分解能を持つアト秒位相分光の実現が可能となる。この位相計測法は、物質中で運動する電子の波動性（複素屈折率、複素誘電率、波束、双極子位相、分散など）を知る上で重要な技術と成り得る。本成果は、Optics Express米科学誌[H. Mashiko et al., Opt. Express（投稿中）]に投稿され、電気学会誌[論文番号0QD-20-019（印刷中）]、会議発表6件、ALPS2020国際会議にて優秀学生発表賞（横国大：大島氏）に採択される等の多数の成果を得ている。
一方で、【課題2】に対して、我々は固体物質を用いた高感度なアト秒過渡反射実験に成功した。光子数の乏しい極端紫外アト秒パルスの弱点を克服するため、ロックイン増幅を組み合わせた実験系を構築し、ビスマス金属材料のコヒーレントフォノン現象の観測に成功した。この成果は、Optics Express米科学誌[Keiko Kato, Hiroki Mashiko et al., Opt. Express 28, 1595 (2020)]に採択され、会議発表5件の成果を残している。
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| 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
初年度（2019年度）は主に【課題１：ダブルアト秒パルスを用いた屈折分光法の確立】に取り組んでいる。具体的な実験内容を後述する。過去に代表研究者（申請者）が開発した二重光学ゲート（DOG：double optical gating）法を用いて発生した極端紫外領域の単一アト秒パルス（IAP: isolated attosecond pulse）は、広帯域の連続スペクトルを持つ (光子エネルギー帯域 : 25-40 eV)。このIAPは、本研究で開発された高時間分解能 (遅延分解能 : 0.6 as) かつ高安定 (遅延揺らぎ：2.6 as) の空間分割ミラーに入射される。分割されたIAP対が構築するスペクトル位相干渉画像（遅延ステップ：12 as）において、83-138 as 周期振動がIAP連続スペクトル全域において観測された。干渉画像より得られるAC成分 (25-40 eV) からIAP対の位相情報を抽出することが可能であり、新たな超高速位相分光計測の実現性を示唆している。本成果により、論文2件（内1件投稿中）、会議発表6件、受賞1件の成果を得ている。
一方で、【課題2：pn接合半導体の初期電子応答の解明】に向けて、我々は固体物質を用いた高感度なアト秒過渡反射実験に成功した。本研究では、ロックイン増幅検出を組み合わせた実験系を開発し、ビスマス金属材料のコヒーレントフォノン現象の観測に成功した。過去のアト秒パルスを用いた分光実験は、主に検出感度が数％だったのに対して、本実験では0.01%程度の検出感度を誇る。これにより、今まで観測不可能であった微小な電子応答の変化を捉えることが可能となり、金属・半導体・絶縁体材料の電子物性調査に対する強力な分析ツールになると期待される。本成果により、論文1件、会議発表5件の成果を得ている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、2019年度に開発した「ダブルアト秒スペクトル干渉系」および「ロックイン増幅器を用いたアト秒過渡反射分光系」の技術を応用し、半導体・絶縁体材料をターゲットに用いて、物質中の電子の複素応答（屈折率や誘電率）を解明する実験を行い、新たな電子物性の解明を試みる。
初めに、【課題１：ダブルアト秒パルスを用いた屈折分光法の確立】に対しては、窒素分子（N2）およびシリコンカーバイド（SiC）半導体ターゲットを用いる予定である。新規的な技術であるダブルアト秒位相分光を通して、これらの材料の過渡的な電子波動性（波束、双極子位相、分散、複素屈折率、複素誘電率）を理解することは、結果的に次世代のアト秒コヒーレント制御技術に繋がる期待がある。従来の振幅（強度）検出では解明できなかった物質応答の根幹である原子散乱係数を決定することにより、新たな超高速電子物性の研究領域の創生に挑戦する。
次に、【課題2：pn接合半導体の初期電子応答の解明】に向けて、半導体の代表的な材料でもあるpn（もしくはpin）接合のSi半導体をターゲットに用いる。pn接合シリコン半導体系の電子振動（過渡反射分光）および光起電流の相関関係を捉える実験は、現在のGHzを超えるPHz高速通信や演算処理の基礎動作原理に繋がる可能性がある。また、この光起電流は太陽電池の動作原理でもあり、光電変換に伴う初期電子運動を捉える研究は、その量子効率や損失等の改善に役立つと期待される。
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