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2021 年度 実施状況報告書

光による電子構造制御の第一原理計算

研究課題

研究課題/領域番号 20K14382
研究機関筑波大学

研究代表者

佐藤 駿丞  筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (90855462)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード超高速現 / アト秒物理 / 非線形光学
研究実績の概要

我々は、高強度な光によって駆動される物質中の電子ダイナミクスを微視的な理論計算により解析することで、光によって電子構造制御し物性を改変することを目指して研究を進めている。当該年度では、光励起された磁性体の電子構造の変化を調べるため、時間依存密度汎関数理論(TDDFT)に基づく第一原理計算により、レーザー励起された固体Co, Niの過渡的な光学応答を解析した。その結果、レーザーにより電子加熱により磁性が消失し、内殻電子の交換分裂が減少することによって内殻励起に対応する吸収端付近で光学応答変化が起こることが明らかとなった。この知見を応用し、光によって駆動された磁性体のスピンのダイナミクスを過渡的な光学測定によって調べる方法論を提案した。

さらに当該年度では、THz領域におけるグラフェンからの高次高調波発生を量子マスター方程式により解析した。従来の研究では、THz領域におけるグラフェンからの高次高調波発生は、熱力学的模型に基づく電子系の温度上昇に起因するものと理解されてきた。それに対し本研究では、THz光が駆動する電子系のダイナミクスを時間領域で数値シミュレーションすることにより、光が駆動する電子励起と固体内での電子緩和の競合によって生じる非平衡定常状態がTHz領域の高次高調波発生において重要な役割を果たすことが明らかとなった。

このような成果は、光によって物質の性質を超高速に制御するための技術の基盤となるものである。

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

第一原理計算に基づく解析により、光励起された磁性体の電子構造の変化、及びその微視的起源を明らかにした。また、散逸効果を考慮した量子マスター方程式により、THz領域におけるグラフェンからの高次高調波発生の微視的機構を明らかにした。

今後の研究の推進方策

引き続き、時間依存密度汎関数理論に基づく第一原理計算と量子マスター方程式に基づく模型計算を組み合わせることで、光によって電子構造を改変し、物性を制御する方法論を構築していく。また、実験グループと協力することで、現実の物質における光による電子構造・物性制御の実現に向けて研究を進めていく。

次年度使用額が生じた理由

現地参加予定だった日本物理学会年次大会(2022/3/15-19)が急遽オンライン開催となったため。次年度の日本物理学会参加の際に使用する計画である。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 6件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Max-Planck研究所(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Max-Planck研究所
  • [国際共同研究] チューリッヒ工科大学(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      チューリッヒ工科大学
  • [国際共同研究] ミラノ工科大学(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      ミラノ工科大学
  • [雑誌論文] First-principles calculations for transient absorption of laser-excited magnetic materials2022

    • 著者名/発表者名
      Sato Shunsuke A
    • 雑誌名

      Electronic Structure

      巻: 4 ページ: 014007~014007

    • DOI

      10.1088/2516-1075/ac52df

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] First-principles modelling for time-resolved ARPES under different pump-probe conditions2022

    • 著者名/発表者名
      Umberto De Giovannini, Shunsuke A.Sato, Hannes Hubener, Angel Rubio
    • 雑誌名

      Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena

      巻: 254 ページ: 147152~147152

    • DOI

      10.1016/j.elspec.2021.147152

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Two-step Brillouin zone sampling for efficient computation of electron dynamics in solids2021

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke A. Sato
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 34 ページ: 095903~095903

    • DOI

      10.1088/1361-648X/ac3f00

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Conditional Wave Function Theory: A Unified Treatment of Molecular Structure and Nonadiabatic Dynamics2021

    • 著者名/発表者名
      Guillermo Albareda, Kevin Lively, Shunsuke A. Sato, Aaron Kelly, Angel Rubio
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 17 ページ: 7321~7340

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.1c00772

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Quantum paraelectric phase of SrTiO3 from first principles2021

    • 著者名/発表者名
      Dongbin Shin, Simone Latini, Christian Schafer, Shunsuke A. Sato, Umberto De Giovannini, Hannes Hubener, Angel Rubio
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 ページ: none

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.L060103

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] The ferroelectric photo ground state of SrTiO3: Cavity materials engineering2021

    • 著者名/発表者名
      Simone Latini, Dongbin Shin, Shunsuke A. Sato, Christian Schafer, Umberto De Giovannini, Hannes Hubener, Angel Rubio
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 118 ページ: 1~5

    • DOI

      10.1073/pnas.2105618118

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Nonlinear electric conductivity and THz-induced charge transport in graphene2021

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke A. Sato, Angel Rubio
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 23 ページ: 063047~063047

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ac03d0

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Survival of Floquet-Bloch States in the Presence of Scattering2021

    • 著者名/発表者名
      Sven Aeschlimann, Shunsuke A. Sato, Razvan Krause, Mariana Chavez-Cervantes, Umberto De Giovannini, Hannes Hubener, Stiven Forti, Camilla Coletti, Kerstin Hanff, Kai Rossnagel, Angel Rubio, Isabella Gierz
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 21 ページ: 5028~5035

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.1c00801

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] First-principles calculations for attosecond electron dynamics in solids2021

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke A. Sato
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 194 ページ: 110274~110274

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2020.110274

    • 査読あり
  • [学会発表] レーザー励起された磁性体の過渡光学応答第一原理計算2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤駿丞
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] Theoretical study on nonlinear transport in graphene under optical-driving and dissipation2022

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Sato
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] Theoretical study on attosecond electron dynamics in solids2021

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke A. Sato
    • 学会等名
      2021 P-COE Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 固体MgF2におけるアト秒励起子ダイナミクスの理論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤駿丞, Matteo Lucchini, Giacinto D. Lucarelli, Bruno Moio, Gian Luca Dolso, Giacomo Inzani, Rocio Borrego-Varillas, Fabio Frassetto, Luca Poletto, Hannes Hubener, Umberto De Giovannini, Mauro Nisoli, Angel Rubio
    • 学会等名
      日本物理学会第2021年秋季大会

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公開日: 2022-12-28  

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