Nonlinear optics in metallic nanostructures via hydrodynamic drift-diffusion theory of electrons

本研究は、金属ナノ構造において、電子の流体力学描像により非局所応答を取り込んだ、2次の非線形光学効果の精密解析をおこなうことを目的としている。初年度は金属ナノ構造における、非局所応答による光整流を数値計算にのせるための技術的な問題にトラップされた。非局所応答をまともにとりこむと、非線形光学効果で生じる静電ポテンシャルに、電磁波の縦波と横波、トーマスフェルミ遮蔽の寄与が混じりあう。定式化においては、縦波、横波を区分けすることで、明瞭で解析的な光整流の表式が得られた。しかし、数値計算上は物理量を計算する際に現れる積分において、この混ざり合いのために被積分関数の特異性が強くなる。そのため、数値計算の収束性が改善せず、大幅に時間をとられた。ここの精度が出ないと、ポテンシャル分布、電流分布の空間 profile についても問題を引き起こす。来年度はこれらの問題を解決し、次のステップへと進みたい。一方、金属ナノ構造は光領域での吸収が顕著であり、非エルミート性が強くなる。この性質をつきつめて考えるため、複素周波数空間でもS行列を高精度に計算する方法を開発した。この方法では吸収と利得を平等に扱える。その副産物として、非エルミート表皮効果とレーザー発振の関連を明らかにした。またレーザー発振はそれほど構造の最適化をせずとも起こり得る。その時間反転プロセスを考えることにより、コヒーレント完全吸収を構造の最適化なしにデザインできることを示した。

本研究は、金属ナノ構造において、電子の流体力学描像により非局所応答を取り込んだ、2次の非線形光学効果の精密解析をおこなうことを目的としている。初年度は金属ナノ構造における、非局所応答による光整流を数値計算にのせるための技術的な問題にトラップされた。非局所応答をまともにとりこむと、非線形光学効果で生じる静電ポテンシャルに、電磁波の縦波と横波、トーマスフェルミ遮蔽の寄与が混じりあう。定式化においては、縦波、横波を区分けすることで、明瞭で解析的な光整流の表式が得られた。しかし、数値計算上は物理量を計算する際に現れる積分において、この混ざり合いのために被積分関数の特異性が強くなる。そのため、数値計算の収束性が改善せず、大幅に時間をとられた。ここの精度が出ないと、ポテンシャル分布、電流分布の空間 profile についても問題を引き起こす。来年度はこれらの問題を解決し、次のステップへと進みたい。一方、金属ナノ構造は光領域での吸収が顕著であり、非エルミート性が強くなる。この性質をつきつめて考えるため、複素周波数空間でもS行列を高精度に計算する方法を開発した。この方法では吸収と利得を平等に扱える。その副産物として、非エルミート表皮効果とレーザー発振の関連を明らかにした。またレーザー発振はそれほど構造の最適化をせずとも起こり得る。その時間反転プロセスを考えることにより、コヒーレント完全吸収を構造の最適化なしにデザインできることを示した。