Multiply-extreme nano-photonics developed by first-principles calculation

第一性原理计算开发的多重极端纳米光子学

基本信息

批准号：
20H02649
负责人：
矢花一浩
金额：
$ 11.15万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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

本研究は、物質科学の第一原理計算に基づく新しい光科学計算手法を発展させ、光のパルス長と強度そして物質のサイズを組み合わせて可能になる多様な非線形・非局所光応答現象を解明することを目的としている。本年度、以下に述べる進展があった。金属ナノ粒子の光応答に現れる量子現象に対して、昨年度量子流体模型に基づく記述を発展させた。これを用いて、ジェリウム模型に基づき金属ナノ粒子の持つ３次の非線形光応答に関する分析を行なった。これまでナノ粒子の表面における量子効果である電子染み出しが、線形プラズマ応答に与える影響に関心が持たれているが、本研究では３次の非線形光応答に対しても、表面の量子染み出しが重要な効果をもたらすことを明らかにした。昨年度、高強度パルス光が物質表面に斜方入射する問題を１次元的な伝搬の方程式に変換し、第一原理計算に基づく光伝搬計算が可能になる方法を開発した。本年度はこの方法をシリコンの表面に対して応用し、無反射となるブリュスター角が光の強度と共にどのように変化するかを明らかにし、方法論といくつかの例を示した論文を出版した。高次高調波発生は、高強度パルス光が誘電体に照射する場合に普遍的に見られる現象であり、紫外光や軟X線パルスを発生させるデバイス原理として注目されている。固体からの高次高調波発生では、物質とレーザーの極めて多くの要素が関わることから、統一的な描像を得ることが容易ではない。本研究では第一原理計算に基づき、パルス長による高次高調波発生の変化、有限温度効果による原子位置の揺らぎの効果、薄膜中を伝搬することの効果と反射波・透過波に現れる高次高調波の特徴などを解明した。

这项研究旨在根据材料科学中的第一原理计算开发一种新的光学科学计算方法，并阐明可以通过结合物质的光，强度和大小的脉冲长度来实现的多种非线性和非局部光响应现象。今年，取得了以下进展。去年，我们根据金属纳米颗粒光响应中的量子现象的量子流体模型开发了一个描述。使用此，根据Gerium模型对金属纳米颗粒的三阶非线性光学响应进行分析。到目前为止，人们一直对电子浸泡的影响，对纳米颗粒表面的量子作用，对线性血浆反应的影响，但是在这项研究中，我们揭示了表面上的量子浸泡对三阶非线性光学响应也具有重要作用。去年，我们开发了一种方法，该方法将入射在材料表面上的高强度脉冲光倾斜地进入一维繁殖方程，从而允许基于第一原理计算的光传播计算。今年，我将此方法应用于硅表面，并发表了一篇论文，该论文阐明了反染色的布鲁斯特角度如何随光强度而变化，并提供了一种方法论和几个示例。当高强度脉冲光被照射到电介质上时，高阶谐波产生是一种通常看到的现象，并吸引了注意力作为产生紫外线和柔软X射线脉冲的装置原理。固体的高阶谐波生成涉及大量材料和激光元素，因此获得统一的图像并不容易。基于第一个原则计算，这项研究阐明了由于脉搏长度而产生的较高谐波的变化，由于有限温度效应而引起的原子位置波动的影响，通过薄膜传播的效果以及在反射和传播波中出现的较高谐波的特征。