First-principles study of light-matter interactions on semiconducting metasurfaces

半导体超表面上光与物质相互作用的第一性原理研究

基本信息

批准号：
20K15194
负责人：
植本光治
金额：
$ 2.16万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、第一原理的な電子ダイナミクス計算をもちい、強レーザー場中のナノ物質における光応答計算の手法開発を行う。さらに、同手法を応用して、ナノ粒子・メタ表面による高効率非線形光学変換デバイス設計を試みることを目標とする。本年度は以下の進展があった。（１）本研究では、斜方入射した高強度パルス光が物質表面で引き起こす非線形光学応答の計算手法の構築をおこなっている。今回、定式化した数値計算手法を駆使し、シリコンナノ薄膜表面のブリュースター角（無反射）入射条件下の非線形効果による高調波発生・屈折率変化・反射率変化のデモンストレーションを行った。開発した手法と応用計算について学術雑誌への投稿(Optics Express誌)を行った。（２）オープンソースの第一原理計算コード「SALMON」に半導体ブロッホ方程式とマクスウェル方程式の結合手法による非線形ナノフォトニクスシミュレータを実装し、任意形状の３次元ナノ構造（ナノ粒子・メタ表面）などの光学応答計算が可能とした。上記の拡張を施した次期バージョンはWebサイト上で現在公開されている。(https://salmon-tddft.jp/)（３）上記手法をもちいて、シリコンナノ薄膜、ナノ粒子、また表面のグレーティング構造の非線形光学特性の予測を試みた。3-9次の高調波・高次高調波発生を再現できるほか、変換効率のナノ構造形状などパラメータ依存性を調査を行った。同成果について学会発表を行った（光物性研究会、応用物理学会）

在这项研究中，我们将使用电子动力学计算的第一原理来开发一种计算强激光场中纳米材料的光相响应的方法。此外，目标是应用此技术尝试使用纳米颗粒元面积设计高效的非线性光学转换设备。今年取得了以下进展：（1）在这项研究中，我们构建了一种计算由材料表面上的高强度脉冲光引起的非线性光学响应的方法。在本文中，我们使用配方的数值计算方法证明了由于BREWSTER角度（非反射）入射条件在硅纳米薄膜表面上的非线性效应引起的谐波，折射率和反射率变化的产生。已开发的方法和应用计算已提交给学术期刊（Optics Express杂志）。（2）在开源第一原理计算代码“鲑鱼”中实现了使用半导体BLOCH和MAXWELL方程组合方法的非线性纳米光子学模拟器，从而允许对任意形状的三维纳米结构（纳米颗粒和质量粒子）的光学响应计算。当前在网站上可用上述扩展名的下一个版本。（https://salmon-tddft.jp/)(3）使用上述方法，我们试图预测硅纳米薄膜，纳米颗粒和表面光栅结构的非线性光学性质。除了再现3-9个谐波和较高谐波的产生外，我们还研究了转化效率的参数依赖性，例如纳米结构形状。对结果进行了会议演讲（光学性质研究小组，应用物理协会）