| 研究課題/領域番号 |
20H02649
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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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)
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| 研究分担者 |
植本 光治 神戸大学, 工学研究科, 助教 (90748500)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 第一原理計算 / 時間依存密度汎関数理論 / 非線形光応答 / 可飽和吸収 / メタ表面 / 高次高調波発生 / アト秒科学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、物質科学の第一原理計算に基づく新しい光科学計算手法を発展させ、極限的なパルス光とナノ物質の相互作用で起こる多様な非線形光応答現象を解明することを目的としている。本年度は、金属ナノ粒子が２次元配列したメタ表面の非線形光応答、半金属であるグラファイトと高強度パルス光の相互作用、そして半導体であるシリコンの薄膜から発生する高次高調波発生に関する研究を行った。近年複数の金属ナノ粒子を原子サイズの距離に接近させたときに、ナノ粒子間で量子トンネル効果により流れる電流が光応答に及ぼす効果に高い興味が持たれている。我々はナノ粒子が２次元的に周期配列したメタ表面において、ナノ粒子間の距離を変えた時の非線形光応答がどのように変化するかをジェリウム模型を用いて調べ、ナノ粒子間の距離が原子サイズ程度となったときに極めて大きい３次の非線形応答が現れることを明らかにした。グラファイトの光応答に関して、第一原理電子ダイナミクス計算から非線形光応答を調べたところ、可飽和吸収が広い電場強度領域で現れることを確認した。さらにグラファイト中の光伝搬を調べたところ、可飽和吸収を反映して、線形光応答から予想されるよりも内部まで光パルスが侵入することを明らかにした。最後にシリコン薄膜による高次高調波生成に関しては、薄膜の厚さに伴い生成される高調波強度がどのように変化するかを調べたところ、5-20nm程度の極めて薄い薄膜で、発生する高次高調波が最大となることが見出され、その物理的なメカニズムを明らかにした。
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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
本研究では、高強度なパルス光と物質の相互作用に関して、時間（超短パルス）、空間（ナノサイズ）、場の強度（高強度光）を制御することにより起こる新たな非線形光応答現象を探索し解明することを目標としている。本年は、金属ナノ粒子からなるメタ表面の非線形光応答、シリコンのナノ薄膜からの高次高調波発生など、ともに空間（ナノ）と場の強度（高強度光）を組み合わせた取り組みで成果を出せたことは、順調な発展であると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度に引き続き、時間・空間・場の強度の軸のうち複数が関わる現象の解明に取り組む。メタ表面に関しては、光波長と同程度の微粒子まで扱えるよう、半古典近似に基づく手法や、マルチスケール手法を用いてマクスウェル方程式とミクロな電子ダイナミクスを結合する方法を開発する予定である。また、半金属であるグラファイトで見出された可飽和吸収が、金属薄膜でどのように現れるかなど、多様な物質相における非線形光応答の現れにも着目して研究を進めたいと考えている。
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