2019 Fiscal Year Annual Research Report
Evolution of Attosecond Science by Next-generation Ultrashort-pulse Lasers
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18H05250
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
板谷 治郎 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50321724)
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2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 極短パルスレーザー / アト秒科学 / 非線形光学 / 軟X線分光 / 超高速分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度は、文部科学省の量子科学飛躍フラッグシッププログラムと補完的かつ発展的に整合させるために、本研究課題の実施内容を三項目に整理した。それぞれについての研究実績を以下に述べる。
（1）Ti:sapphireレーザーで励起された高強度赤外光源の高度化とアト秒軟X線分光：前年度に「水の窓」全域（280～540 eV）をカバーするアト秒軟X線パルスの発生に成功していたが、本実験をさらに進め、アト秒精度の分子ダイナミクスの観測に成功した。ビームラインに関しては、ポンプ・プローブ実験における光路長差を動的に補正する光学系を開発し、タイミングジッターを50アト秒程度まで低減した。また、窒素原子のK吸収端（400 eV）において、一酸化窒素（NO）分子の軟X線過渡吸収分光に成功した。本実験では、位相安定な高強度中赤外パルスをNO分子に照射することにより、トンネルイオン化によるNO分子の階段的なポピュレーション減少とNO＋イオンの発生、NO＋イオンの分子振動、強レーザー場の印加によるNO分子の分子配列といった階層的な量子ダイナミクスを統一的に計測できることを示した。
（2）Yb固体レーザー励起された高繰り返し極短パルス光源の開発とアト秒パルス発生：ワンボックス型Yb固体レーザーを励起源として、繰り返し6 kHzで動作する位相安定な中赤外パルス発生（中心波長3500 nm）に成功した。また、複数の薄板を用いた白色光発生・パルス圧縮実験を行い、6 fsの極短パルスを得た。
（3）高強度中赤外光源の開発と固体のアト秒分光：Ti:sapphireレーザーで励起されるKTA結晶を用いた中赤外パラメトリック増幅システムを用いて、中赤外域での薄板を用いたパルス圧縮法を実証した。また、固体を対象とした実験を行い、新規材料における高効率高調波発生やプラズモニックな光電子放出に関して新しい知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
アト秒軟X線分光に関しては、Ti:sapphireレーザー励起光パラメトリックチャープパルス増幅光源と軟X線アト秒ビームラインがほぼ完成し、定常的な利用が可能となった。その結果、強レーザー場で誘起されるNO分子のアト秒精度での量子ダイナミクスの観測に成功した。本実験は、軟X線過渡吸収分光により多様かつ階層的な量子ダイナミクスを統一的に観測出来ることを示したものであり、大きなマイルストーンとなる成果といえる。また、本実験は、2020年5月の時点において、「アト秒軟X線パルスを用いた過渡吸収分光」に関して世界最高の光子エネルギー領域における実験となった。
Yb固体レーザーを励起源とした光源開発に関しては、波長3500 nm帯において出力と位相がきわめて安定な中赤外光パラメトリック増幅光源を構築した。また、パルス幅180 fsから6 fsへのパルス圧縮を実証した。これらの結果は、Yb固体レーザーが次世代極短パルスレーザーの励起光源として極めて有望であることを示しており、今後の光源開発の見通しが明確になった。
高強度中赤外光源の開発と固体のアト秒分光に関しては、複数の異なる材料の薄板を用いた新手法により、中赤外域においてサブ2サイクルの時間幅へのパルス圧縮を実現した。また、本光源を用いて固体の強レーザー場下での非線形現象の探索も行い、新規材料における効率的な高次高調波発生、有機強誘電体における強誘電性のサブサイクル応答の観測、回折格子表面からのプラズモニックな光電子放出など、多様な物理現象の観測に成功した。これらの成果は、高強度中赤外光と固体・凝縮系との非線形相互作用というこれまで実現困難な実験において、新規中赤外光源の開発によって多彩な新現象が存在することを示したものであり、新現象の発見など今後の発展が期待出来る。
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| Strategy for Future Research Activity |
アト秒軟X線分光に関しては、「水の窓」領域の吸収端を利用した軟X線過渡吸収分光の対象を広げていく。二原子分子を対象とした実証実験から、三原子分子、あるいはより大きな分子や溶液系への展開を図る。そのために、多様なサンプルを扱うための技術開発を進める。光源およびアト秒軟X線ビームラインに関しては、有機分子の励起で重要となる紫外域での励起光源の整備と、軟X線分光器の高分解能化を図り、多様な量子ダイナミクスを観測するためのアップグレードを行う。
ワンボックス型Yb固体レーザーを励起源とした光源開発に関しては、10 kHz程度の高繰り返しでのアト秒パルス発生のために、光パラメトリック増幅法に基づく位相安定な極短パルス光源の開発を進める。
高強度中赤外光源の開発と固体のアト秒分光に関しては、これまではTi:sapphireレーザー励起の光パラメトリック増幅光源をベースとしていたが、Yb固体レーザー励起の光パラメトリック増幅光源へと移行し、より高い繰り返しでの高精度な実験と、高強度中赤外光と同期した数フェムト秒の極短パルスを用いたサブサイクル分光法の確立を目指す。これにより、強レーザー場で駆動された固体中の電子系について、レーザー場の一サイクル以下の時間スケールで生じるダイナミクスの直接観測を目指す。
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[Journal Article] Few-cycle laser driven reaction nanoscopy on aerosolized silica nanoparticles2019
Author(s)
Rupp Philipp、Burger Christian、Kling Nora G.、Kubel Matthias、Mitra Sambit、Rosenberger Philipp、Weatherby Thomas、Saito Nariyuki、Itatani Jiro、Alnaser Ali S.、Raschke Markus B.、Ruhl Eckart、Schlander Annika、Gallei Markus、Seiffert Lennart、Fennel Thomas、Bergues Boris、Kling Matthias F.
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 10
Pages: 4665:1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] ディラック半金属Cd3As2薄膜における超高効率テラヘルツ高調波発生2020
Author(s)
神田夏輝, B. Cheng, 池田達彦, 松田拓也, 夏沛宇, T. Schumann, S. Stemmer, 板谷治郎, N. P. Armitage, 松永隆佑,
Organizer
レーザー学会第40回年次大会
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[Presentation] Time-resolved ARPES study on Ta2NiSe52020
Author(s)
T. Suzuki, H. Shinohara, Y. Lu, M. Watanabe, J. Xu, K. L. Ishikawa, H. Takagi, M. Nohara, N. Katayama, H. Sawa, M. Fujisawa, T. Kanai, N. Ishii, J. Itatani, T. Mizokawa, S. Shin, K. Okazaki
Organizer
APS March Meeting 2020
Int'l Joint Research
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[Presentation] Regulation of asymmetric interlayer distributions of carriers in Twisted Bilayer Graphene and dynamics2020
Author(s)
Yuhao Zhao, T. Suzuki, Takushi Iimori, Sung Joon Ahn, Joung Real Ahn, Jiadi Xu, Qianhui Ren, Masami Fujisawa, T. Kanai, J. Itatani, K. Okazaki, S. Shin, Hirokazu Fukidome, Fumio Komori, Iwao Matsuda
Organizer
日本物理学会第75回年次大会
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[Presentation] Time-resolved ARPES measurement on an excitonic insulator candidate 1T-TiSe22020
Author(s)
J. Xu, T. Suzuki, M. Watanabe, Q. Ren, K. Liu, M. Fujisawa, T. Kanai, N. Ishii, J. Itatani, S. Shin, K. Okazaki
Organizer
日本物理学会第75回年次大会
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[Presentation] ノーダルライン半金属単層Cu2Si/Si(111)の電子状態の解明2020
Author(s)
坂本実可子, 鈴木剛, 辻川夕貴, 濱田雅史, 徐佳笛, 任千慧, 佐藤祐輔, 今村真幸, 高橋和敏, 藤澤正美, 金井輝人, 板谷治郎, 岡﨑浩三, 辛埴, 松田巌, 高山あかり
Organizer
日本物理学会第75回年次大会
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[Presentation] 時間分解光電子分光法による準結晶ねじれ二層グラフェンにおける超高速キャリアダイナミクスの研究2019
Author(s)
鈴木剛, 飯盛拓嗣, S. J. Ahn, 趙宇豪, 渡邉真莉, 徐佳笛, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 諏訪健斗, 吹留博一, 田中悟, J. R. Ahn, 岡﨑浩三, 辛埴, 小森文夫, 松田巌
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 周波数領域角度分解光電子分光法によるTa2NiSe5における光誘起絶縁体金属転移の研究(実験)2019
Author(s)
鈴木剛, 篠原康, 魯楊帆, 渡邉真莉, 徐佳笛, 高木英典, 野原実, 片山尚幸, 澤博, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 溝川貴司, 石川顕一, 岡﨑浩三, 辛埴
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 周波数領域角度分解光電子分光法によるTa2NiSe5における光誘起絶縁体金属転移の研究(理論)2019
Author(s)
原康, 鈴木剛, 魯楊帆, 渡邉真莉, 徐佳笛, 高木英典, 野原実, 片山尚幸, 澤博, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 溝川貴司, 岡﨑浩三, 辛埴, 石川顕一
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 励起子絶縁体Ta2Ni1-xCoxSe5の時間分解光電子分光2019
Author(s)
密岡拓心, 鈴木剛, 渡邉真莉, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 岡崎浩三, 辛埴, 野原実, 片山尚幸, 澤博, 魯楊帆, 高木英典, 溝川貴司
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 有機無機ハイブリッドペロブスカイトからの高次高調波発生と起源2019
Author(s)
佐成晏之, 廣理英基, 阿波連知子, 田原弘量, 篠原康, 夏沛宇, 乙部智仁, 石井順久, 板谷治郎, 石川顕一, 金光義彦
Organizer
第80回応用物理学会秋季学術講演会
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