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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Optical manipulation of coherent phonons in superconducting YBa2Cu3O7-δ thin films
Y. Okano, H. Katsuki, Y. Nakagawa, H. Takahashi, K. G. Nakamura and K. Ohmori, Faraday Discussions 153, 375-382 (2011). -
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Mode Selective Excitation of THz vibrations in Single Crystalline Rubrene
K. Yano, H. Katsuki, and H. Yanagi,
J. Chem. Phys. 150, 054503 (2019).
1. Young's Double Slit Experiment
Interference is the direct consequence of superposing waves. The most famous experiment demonstrating this characteristics is Young's double slit experiment. Fig. 1 shows the scheme of Young's double slit experiment.
Fig.1 Young's double slit experiment
Due to the different optical path length between a-b-d path and a-c-d path in Fig. 1, the overlapped light waves interfere with each other at point d. If the phase shift is expressed as (2n+1)π, the two light waves are totally out of phase, so that destructive overlap occurs. On the other hand, if the phase shift is expressed as 2nπ, two waves are constructively overlapped to give bright area on the screen. The wavefunction which describes the quantum state of particles is also a kind of wave, so that we can observe the constructive and destructive overlaps. Such phenomena is called "quantum interference" compared to the normal interference of classical waves.