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

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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）