2016 Fiscal Year Annual Research Report
超強結合状態における共振器ポラリトンの超高速非線形光学応答の解明
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16J11890
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
鈴木 信 香川大学, 工学部, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 超強結合 / 強結合 / 共振器ポラリトン / 超高速分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超強結合状態の実現のためには微小共振器に挿入する物質の振動子強度を大きくするか，微小共振器のモード体積を小さくし，真空 Rabi 分裂エネルギーを物質の励起子遷移エネルギーと同程度まで増大させる必要がある．そこで液晶特有の自己組織化機能が振動子強度の増大をもたらすことを期待して，液晶性半導体であるペリレンテトラカルボン酸ビスイミド誘導体薄膜を共振層に挿入した 1 次元フォトニック結晶（1D-PC）微小共振器を作製し分散関係を測定した．結果として約 172 meV という比較的大きな真空 Rabi 分裂エネルギーを観測するとともに，液晶性分子の配列に由来する真空 Rabi 分裂エネルギーの偏光依存性の観測に成功した．しかしこの系においては現時点で超強結合の観測には至らなかった．これは，先行研究において超強結合の観測のために用いられている金属ミラーによる微小共振器に比べ，今回使用した 1D-PC 微小共振器のモード体積が大きかったことが原因であると考えられる．この結果を受けて先行研究を参考にフォトクロミックスピロピラン色素を挿入した金属ミラー微小共振器を作製し追試を行った結果，超強結合状態ではないかと思われる現象を確認した．現在，それが本当に超強結合状態かどうか再度実験中である．
さらに翌年度以降に超高速分光実験を行うために光学系の構築を行った。まず optical pump optical probe 分光系を用いて強結合状態において polariton doublet から spectral triplet 状態が微小共振器内部の振動子の密度に依存せず生じることを明らかにした．また THz pump optical probe 分光を行うために二色レーザー誘起プラズマによる高強度 THz 波発生実験を行い，30 kV/cm 程度の電場強度を持つ THz 波の発生に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は強結合および超強結合状態にある微小共振器中の有機分子系の超高速非線形応答を解明することを目的としている．当初の計画としては平成 28 年度は 1. 超強結合状態を実現する微小共振器の作製と分散関係の評価 2. 強結合状態における optical pump optical probe 分光 3. THz pump optical probe 分光系の構築 を行う予定であった。まず，2 に関しては当初の目標を概ね達成しており，その研究成果は論文投稿中である．次に 3 に関して，すでに pump 光として用いる高強度 THz 波の発生自体には成功しており，これは当初の計画通りといえる．さらに，1 に関しては未達成であるものの，超強結合と思われる現象自体は確認できており，現在追試を行っている段階である．このため，当初の計画に対してほぼ遅滞なく順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
まずサンプル作製に関して，観測した超強結合と思われる現象が本当に超強結合といえるのかを確認する．そのために分散関係の測定を微小共振器の透過スペクトルにおける光の入射位置依存性を測定する方法から入射角度依存性を測定する方法に変更する．また，これまでサンプルを構成する金属ミラーはスパッタリングで作製してきたが，この金属薄膜のハンドリングは難しく安定した品質の薄膜を得ることが困難であった．そこで真空蒸着などの他の製膜法を用いる．また金属ミラーの表面に薄い保護膜を製膜する等の工夫を施すことで，現在よりも良質の試料を作製できるようにする．
次に，光学測定に関してであるが，まず，THz pump optical probe 分光系における THz 波の発生・検出条件を見直し，THz 波のさらなる高強度化および広帯域化を図るとともに，optical probe 部分の構築を行う．この optical probe には Super continuum 光を用いることを予定している．次に，超強結合における optical pump optical probe 分光を行うために white light pump probe 分光系を構築する．これに関しては，pump 部分に平成 28 年度に構築した optical pump optical probe 分光系の pump 部分を，probe 部分に関しては THz pump optical probe 分光系の probe 部分を流用する．
以上のような実験を通して強結合および超強結合状態における超高速非線形応答を調べる．
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