京大ら,極端に強い光と物質の相互作用に新知見

京都大学と東京都立大学は,高強度レーザー光を固体に照射すると,光と固体中の電子状態が一体となった状態が形成され,新たな対称性である「動的対称性」が創出されることを実証した(ニュースリリース)。

レーザー光が時間周期的に振動する電場をもつことに起因して,強いレーザー光と電子系が相互作用した系はそれらが一体となった状態である「フロケ状態」という新たな状態を形成することが期待されている。このとき,レーザー光のもつ周期電場の形を自在に変えることで物性をコントロールする「フロケエンジニアリング」が提案されている。

理論的には,「動的対称性」と呼ばれるフロケ状態に特有のクラスが対称性を一般的に記述できると指摘されていた。しかし,固体においてフロケ状態の「動的対称性」を検証した実験的研究はなかった。

研究では,光散乱過程を用いることでフロケ状態の動的対称性を検証できるというアイディアを提案し,実証した。まずフロケ状態を作るために赤外域の高強度レーザー光(MIR)を固体に照射し,固体中の電子を光の持つ電場によって駆動する。

さらに光散乱過程を起こすために,近赤外域の弱いレーザー光を同時に照射した。こうすることで,弱いレーザー光の周波数周りにサイドバンドと呼ばれる散乱光がMIRの周波数間隔で現れる。これはフロケ状態が実際に生成されていることを表している。

実験的に電子系の微視的な対称性を観測するためには,伝搬効果と呼ばれる固体の巨視的な形状によって引き起こされる効果を取り除く必要があったが,研究グループは2次元の半導体である単層の二硫化モリブデンによって,その困難を克服した。

入射光の偏光を直線偏光や円偏光に制御し,散乱光のスペクトルを偏光ごとに分解して固体の結晶軸との相関を観測すると,入射光と散乱光の間に偏光選択則が存在することがわかった。また入射光を直線偏光に定め,散乱光を直線偏光に分解することによって直線偏光に対する偏光選択則も系統的に明らかにした。

研究グループは,これらの偏光選択則が,「動的対称性」を仮定するとフロケ状態からのラマン散乱によって理解でき,フロケ状態の動的対称性が入射光と散乱光の偏光関係を包括的に記述できることを明らかにした。この理論から得られた結果が実験と完全に一致したことから,固体のフロケ状態において動的対称性の系統的な立証に成功した。

研究グループは,今回の成果はフロケエンジニアリングのアイデアを用いた量子情報技術への理解が進むことが期待されるほか,広帯域は光源や高速な光通信技術の開発にもつながるとしている。

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