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本研究では、金属平面における自由電子の集団的な振動運動: Surface Plasmon Polariton (SPP)波束の伝搬現象の理解及びコントロールを目的とし、数値計算、電磁界シミュレーション、超短パルスレーザーを用いた実空間観測実験を行った。
2020-21年度には金属平面上に作成したナノスケール共振器構造にSPP波束を入射させる際に生じる光学的共鳴現象をフェムト秒(10^-15 s)スケールで時間分解観察し、共振器構造の構造に依存した反射率/透過率の変化や透過波束における異常遅延現象を観測した。観測された異常遅延現象は理論モデルによる計算および電磁界シミュレーションによる検証により、金属表面上におけるSPPが有する周波数分散に起因して生じる、波束中の空間的な周波数分布と共振器の持つ離散的な共鳴モードの相互作用によるものであると結論付けた。
2022年度には、SPPを励起する入射光において波束を構成する周波数ごとに個別の位相シフトを付加することで設計した空間分布、伝搬特性を有するSPP波束、Space-Time (ST) SPP波束の励起及び観測実験を行った。これまで理論計算においてのみ予測され励起手法が未検討だったST-SPP波束は、自由空間中でSPPの分散に合わせた補正を与えた励起用ST波束を金属平面上のナノスケール単スリット構造に照射することで励起しうることを電磁界シミュレーションによって示した。得られた結果をもとに新規に実験系を構築し、設計した無回折特性および空間分布を有するSPP波束の励起及び伝搬現象の観測に成功した。加えてST-SPP波束における三次元的な電磁場分布よりスピン角運動量の導出を行い、今回励起及び観測したST-SPP波束には三次元的なスピンテクスチャが付随して伝搬することを示した。
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