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Optical Detection of spin states of individual ions

Research Project

Project/Area Number 15H03765
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Physical chemistry
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

Michio Matsushita  東京工業大学, 理学院, 准教授 (80260032)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小川 佳宏  上越教育大学, 大学院学校教育研究科, 准教授 (50372462)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2017: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2016: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2015: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Keywords1分子観察 / 一分子計測(SMD) / 一分子観察 / 1分子計測(SMD) / 一分子観察(SMD) / 共焦点顕微鏡 / 生体分子 / 生物物理 / 化学物理 / 1分子計測(SMD) / 物理化学 / 希土類イオン / 核スピン
Outline of Final Research Achievements

In the present project, we demonstrated two experimental techniques. First, we demonstrated a solid-immersion-lens (SIL) microscope to improve thel resolution and the detection solid angle. We experimentally showed that by using the SIL, the resolution and the detection solid angle were improved by a factor of 2 and 3, respectively. Second, we demonstrated nanometer-accuracy fluorescence microscopy of individual two-color emitters. Depending on the orientation of the transition dipoles of the emitters with respect to the focal plane, their spots were spheroids whose major axes tilted from the axial direction. When acquired with the axial uncertainty of a conventional fluorescence microscope (700 nm), the tilt due to the dipole orientation caused a lateral shift of 20 nm. Improving the axial uncertainty to 18 nm enabled visualization of these two emitters with a 1-nm accuracy. The technique is necessary to accurately determine the 3D position of multiple rare-earth ions in crystal.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で得た二つの顕微技術は、希土類イオンの量子論理演算だけでなく、物理、化学、薬学、医学に広く使える技術である。特に、薬学医学応用にとても大きな可能性があると考えている。この技術を用いれば、細胞内部の個々の分子が分子解像度で観察できる可能性を持っている。本課題は終了したが、本研究を継続させると共に、こちらの研究も進めて行く予定である。

Report

(5 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2018 2017 2015

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (14 results)

  • [Journal Article] Cryogenic Fluorescence Localization Microscopy of Spectrally Selected Individual FRET Pairs in a Water Matrix2018

    • Author(s)
      Tabe Hiroaki、Sukenobe Kei、Kondo Toru、Sakurai Atsunori、Maruo Minako、Shimauchi Akari、Hirano Mitsuharu、Uno Shin-nosuke、Kamiya Mako、Urano Yasuteru、Matsushita Michio、Fujiyoshi Satoru
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 122 Issue: 27 Pages: 6906-6911

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.8b03977

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Three-Dimensional Localization of an Individual Fluorescent Molecule with Angstrom Precision2017

    • Author(s)
      古林 琢・本橋和也・若尾圭祐・松田 剛・喜井 勲・細谷孝充・林 宣宏・定家真人・石川冬木・松下道雄・藤芳 暁
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 139 Issue: 26 Pages: 8890-8994

    • DOI

      10.1021/jacs.7b03899

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Observation of bound and antibound states of two excitons in GaAs single quantum well by two-dimensional coherent spectroscopy2017

    • Author(s)
      Y. Ogawa
    • Journal Title

      PHYSICAL REVIEW B

      Volume: 95 Issue: 20 Pages: 201113-201113

    • DOI

      10.1103/physrevb.95.201113

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reflecting microscope system with a 0.99 numerical aperture designed for three-dimensional fluorescence imaging of individual molecules at cryogenic temperatures2015

    • Author(s)
      H. Inagawa, Y. Toratani, K. Motohashi, I. Nakamura, M. Matsushita, S. Fujiyoshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 12833-12833

    • DOI

      10.1038/srep12833

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 高開口数かつ広視野のクライオ対物鏡2018

    • Author(s)
      石井啓暉,虎谷泰靖,藤原正規,石田啓太,藤芳暁,松下道雄
    • Organizer
      第12回分子科学討論会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] クライオ蛍光顕微観察における界面屈折に由来する収差の光学シミュレーションによる研究2018

    • Author(s)
      石田 啓太,藤芳暁,松下道雄
    • Organizer
      第12回分子科学討論会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] クライオ蛍光顕微鏡による二本鎖DNAの1分子光イメージング2018

    • Author(s)
      古林琢,石田啓太,松下道雄,藤芳暁
    • Organizer
      第12回分子科学討論会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] クライオ1分子顕微鏡の機械的安定化2018

    • Author(s)
      富永波輝,松下道雄,藤芳暁
    • Organizer
      第12回分子科学討論会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 生体内1分子イメージングのための三次元カメラの開発2018

    • Author(s)
      松田 剛,藤芳 暁,松下 道雄
    • Organizer
      第12回分子科学討論会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 3次元点像分布関数を測定することによる分子レベル光イメージング:光学シミュレーション2018

    • Author(s)
      石田啓太, 古林琢, 松下道雄, 藤芳暁
    • Organizer
      日本物理学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 3次元点像分布関数を測定することによる分子レベル光イメージング:実験2018

    • Author(s)
      古林琢, 石田啓太, 松下道雄, 藤芳暁
    • Organizer
      日本物理学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] クライオ 1 分子蛍光顕微鏡のための試料走査機構の製作2017

    • Author(s)
      石井啓暉, 古林 琢, 藤芳 暁, 松下道雄
    • Organizer
      日本物理学会 秋季年会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 1 分子の 3 次元位置をショットノイズ限界で測定可能な 顕微法の光学シミュレーション2017

    • Author(s)
      松田 剛, 古林 琢, 藤芳 暁, 松下 道雄
    • Organizer
      日本物理学会 秋季年会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] クライオ1分子蛍光顕微鏡の高精度化に向けた技術開発2017

    • Author(s)
      古林 琢, 松下道雄, 藤芳 暁
    • Organizer
      日本物理学会 秋季年会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] クライオ超解像蛍光顕微鏡の制作2017

    • Author(s)
      資延 啓,田邊大明,石井啓暉,松田 剛,古林 琢,松下道雄,藤芳 暁
    • Organizer
      分子科学討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 三次元分子解像度のクライオ一分子蛍光顕微鏡2017

    • Author(s)
      古林琢, 松下道雄, 藤芳暁
    • Organizer
      日本物理学会
    • Place of Presentation
      大阪大学
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] スペクトル選択クライオ超解像顕微法のための色素の探索2017

    • Author(s)
      資延啓, 田邊大明, 藤芳暁, 松下道雄
    • Organizer
      日本物理学会
    • Place of Presentation
      大阪大学
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 生体分子の高精度3Dイメージングを目指したクライオ蛍光顕微鏡の開発2017

    • Author(s)
      古林琢, 松下道雄, 藤芳暁
    • Organizer
      日本化学会
    • Place of Presentation
      慶応日吉キャンパス
    • Related Report
      2016 Annual Research Report

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Published: 2015-04-16   Modified: 2020-03-30  

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