原子鎖の局所励起とエネルギー伝搬ダイナミクスを超高速電子動力学計算から解明～微小極限での光学現象解明への挑戦〜
【ポイント】
- 原子鎖の端を局所的に励起した際の電子ダイナミクスを数値計算から解明。
- 光エネルギー伝搬を電子の運動から解析し、固有電子励起状態との関係性を解明。
- 原子鎖を介した小分子のリモート励起を数値実証し、微小極限の光学デバイスへの応用に期待。
【概要】
北海道大学大学院理学研究院・同大学創成研究機構化学反応創成研究拠点（WPI-ICReDD）の岩佐豪助教、同大学理学部化学科（研究当時、現：同大学大学院総合化学院）の西澤大輔氏らの研究グループは、原子を直線上にならべた鎖（原子鎖）の端を局所的に強い光で励起した際のエネルギー伝搬の様子を、数値シミュレーションによって可視化し、その挙動を解明しました。光の波長よりも遙かに小さな微小領域に局在する近接場光と呼ばれる特殊な光で原子鎖の片側を局所的に照らすと、この部分に存在する電子が運動を始め、次第に原子鎖全体に電子の運動が広がっていきます。この様子を、アト秒スケールの超高速電子動力学シミュレーションによって可視化し、解析を行いました。また、原子鎖を通して、光と反対側の分子を励起することが可能であることも実証しました。
水面に落ちた石を中心に波面が広がっていくなどの局所的な刺激が広がっていく現象は身の回りに沢山あり、波及効果という表現もよく耳にします。しかし、分子のような小さな物質に局所的な刺激を与えたときにどのようなことが起こるのかは、まだ分かっていません。通常の光には回折限界と呼ばれる制約があり、波長が数百ナノメートルの可視光を用いて1ナノメートル程度の分子を局所的に電子励起することはできません。近年、微小な金属の針で物質の表面をなぞる走査トンネル顕微鏡（STM）の針の先端に光を局在させる技術が開発され、分子の一部分だけを照らすことができるようになりました。しかし、超高速現象の観測はまだ達成されていません。そこで、実験に先立ち、量子力学に基づいた理論計算によって局所励起現象をシミュレーションし、その振る舞いを調べました。
本論文では、原子鎖モデルに対して、実時間電子動力学計算法を用いてその振る舞いを解明しました。今回の研究成果が、すぐに何かの役に立つということは言えませんが、原子幅という究極まで細い鎖におけるエネルギーの伝搬の挙動を深く理解することは、光ファイバーの超小型化など、光学デバイスの微小化に役立つ基礎的な知見と言えるでしょう。
なお、本研究成果は2024年8月5日（月）公開のThe Journal of Chemical Physics誌に掲載されました。
論文名：Near-field induced local excitation dynamics of Na10 and Na10-N2 from real-time TDDFT（実時間時間依存密度汎関数理論によるNa10とNa10-N2における近接場誘起局所励起ダイナミクス）
URL：https://doi.org/10.1063/5.0211353
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