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

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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。