6. コヒーレントフォノン制御
固体結晶に対し、そのフォノン振動の周期よりも短い時間幅を持ったパルスレーザーを照射すると、結晶のフォノン運動を励起することができる。通常の熱で励起されるフォノンと異なり、 レーザー光が照射された領域内で原子(分子)の運動の位相が揃った状態で励起が行われるため、このようなフォノン振動をコヒーレントフォノンと呼ぶ。 コヒーレントフォノンを計測するには、pump-probe分光によって反射率の変化として計測することが一般的です。
6-1. ビスマス単結晶の二次元原子運動の制御と可視化
ビスマスの単位格子を図11に示す。z軸方向に振動するA1gモードとxy平面内で二重縮退したEgモードという二つのモードが存在している。 これらのモードの励起振幅を光によって制御することができれば、結晶格子中の原子の運動を制御できることに繋がる。実験では、図12のような光学系を用い、ポンプ光の照射による プローブ光の反射率変化を測定している。
図11 ビスマスの単位格子とフォノンモード
図12 コヒーレントフォノン光学系
励起パルスとしてチャープパルスを時間的に重ねた励起パルスを用い、両者の遅延時間を制御することでTHz領域の変調をスペクトルに与え、フォノンの振幅制御をおこなっている。 さらにab initio計算によって反射率の変化と原子の変位の間の比例定数を計算し、反射率の変化から光の照射された平面内における原子の変位を可視化することに成功した。 より詳細を知りたい方は、以下の文献を参考にして下さい。
図13 フォノン振幅制御結果
6-2. ルブレン単結晶のTHzフォノン熱浴分布の制御
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【関連論文】
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Y. Okano, H. Katsuki, Y. Nakagawa, H. Takahashi, K. G. Nakamura and K. Ohmori, Faraday Discussions 153, 375-382 (2011). -
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H. Katsuki, J. C. Delagnes, K. Hosaka, K. Ishioka, H. Chiba, E. S. Zijlstra, M. E. Garcia, H. Takahashi, K. Watanabe, M. Kitajima, Y. Matsumoto, K. G. Nakamura, and K. Ohmori, Nature Communications 4:2801 doi:10.1038/ncomms3801 (2013). -
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K. Yano, H. Katsuki, and H. Yanagi,
J. Chem. Phys. 150, 054503 (2019).
1. ヤングのダブルスリット実験
干渉効果は、波の持つ重ね合わせの原理の結果生じる現象である。この特徴を最も端的に示す実験としてヤングのダブルスリット実験が有名である。 図1-1にヤングのダブルスリット実験の概要を示す。
図1-1 Youngのダブルスリット実験
干渉の生じる原因について簡単に説明すると、図1-1における異なる二つの光路a-b-dとa-c-dの間で距離に差が生じる事により、点aから同位相で出発した 波が点dでは位相差が生じてしまう事による。位相差が(2n+1)π (πの奇数倍)になってしまうと、二つの波は完全に逆位相になってしまうため二つの波は打ち消し合って暗く見える。 位相差が2πの整数倍になると、二つの波は同位相で重なるために強め合いの結果明るく見える。 注意点として、光源は必ずしも単色である必要はなく、太陽光や蛍光灯でもヤングのダブルスリット実験は可能である。 ただし、こうした光源はコヒーレンスが悪く、スペクトルもブロードであるため、干渉縞はより観測しにくくなる。
量子的な状態を記述する波動関数も波の一種である事から、古典的な波と同様にお互いに干渉して強め合ったり、弱め合ったりという現象を示す事が知られている。 古典的な波の干渉と区別するため、量子波動関数の干渉は「量子干渉」と呼ばれている。