東北大,超短パルスによる高調波発生の機構解明

東北大学の研究グループは,固体に強いレーザーをあてると,波長が変換された時間幅の短い高調波が放射される新しい機構を,理論計算シミュレーションにより示すことに成功した(ニュースリリース)。

レーザーの大きな特長は,光の色に相当する波長が揃っていること,レーザーポインタなどで知られるように指向性が良いこと,パルスとして利用することで強い強度と短い時間幅が実現することなどが挙げられる。

強い強度のレーザーを積極的に利用する代表的現象として,高次高調波発生(High harmonicgeneration:HHG)と呼ばれる現象が知られている。例えば原子,プラズマや固体などの試料に一定の波長のレーザーをあてると,入射レーザーの波長の整数分の一の波長をもつ光が放射され,これは高調波と呼ばれる。

特長的なのは放射されるレーザー光の時間幅が大変短く,数百アト秒に及ぶこと。この技術を利用することでアト秒サイエンスと呼ばれる超高速の次世代の科学技術分野が開けることが期待されている。

研究グループは,強相関電子系と呼ばれる電子間に強い相互作用の働く固体において,新しいHHGの機構が存在することを理論計算シミュレーションにより示すことに成功した。

固体におけるHHGを担うのは,レーザーにより駆動された電子の運動であるとこれまで考えられ,強い強度のレーザーにより電子が本来の位置から無理やり引き離されて運動し,再度元の位置に戻るときに高調波が発生するものと理解されてきた。

この研究では,強相関電子系と呼ばれる固体において,電子が運動しなくても高調波が発生することが明らかになった。そこではキンクと呼ばれる,固体の中でだけ粒子のように振る舞うトポロジカルな“ひねり”(準粒子)が電子の代わりに運動し,これにより高い次数の高調波が発生することが計算により明らかになった。

強相関電子系と呼ばれる固体では,様々な準粒子やトポロジカル状態が存在することがこれまでにもわかっている。またそれらは,レーザーだけでなく,電場,磁場,圧力,温度変化などの様々な方法により操作が可能であることも知られている。

この研究を契機に,HHGに利用できる対象物質が広がると同時に,HHGが複数の操作方法を組み合わせた複合的技術として発展し,将来のアト秒サイエンスの一つの指針を与えることが期待されるとしている。

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