ナノ空間に局在するプラズモン反応場の角運動量状態制御

• Project/Area Number: 17H04815
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Optical engineering, Photon science
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 酒井 恭輔 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (00456831)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000); Fiscal Year 2019: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2018: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2017: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 光の軌道角運動量 / 金属表面プラズモン / 光渦 / プラズモニック結晶 / 多重極子 / 局在プラズモン / 局在表面プラズモン / 多量体 / 応用光学・量子光工学

Outline of Annual Research Achievements

光がもつ角運動量として、スピン(円偏光)に加えて軌道成分が見いだされ、新たな光制御の可能性が議論され始めている。光のスピンと軌道角運動量が、電子の各角運動量に等価であれば物質中の電子の角運動量状態を光により操作することが可能になる。例えば、軌道成分が加わることで、光の角運動量自由度はスピンの±1 に加え任意の整数値に拡張される。これにより、電子遷移における選択律の角運動量保存の制限が変化し、従来は禁制とされた遷移が許容となることが理論的に示唆された。しかし、光の軌道角運動量が電子遷移に作用するには光と電子の波動関数が一致する必要があり、これが当分野の大きな障壁となっている。本研究では、電子の波動関数に迫るナノ空間に局在する金属表面プラズモンの角運動量状態を自在に制御するプラズモン反応場の検討と作製評価を行った。
1．プラズモニック結晶による効率的光反応場の創成
ナノメートルサイズの四つの三角形をクローバー状に配置したプラズモン四量体の中心部には、全角運動量が2に対応する四重極子の電磁場が生成する。この四量体を、正方格子プランズモニック結晶で取り囲む構造、および四量体を周期的に配置する構造により、入射光エネルギーを効率的に四重極子の電磁場へ与えることが出来ることが分かった。
2．サンプル作製と反応場状態の評価
電子ビーム描画装置および金属薄膜形成・剥離プロセスにより作製し、一辺200nm程度の三角形を対角50nm離してクローバー状に並べた四量体を実現した。これを直径300nm程度の円板からなるプラズモニック結晶で囲む構造、および四量体を多数並べる構造も実現した。今後は、四重極子の電磁場モードの詳細な共鳴スペクトルを測定可能とすることで、究極的な目標である「光の角運動量で電子の角運動量状態を制御する」物理系を実現したい。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Nanofocusing of structured light for quadrupolar light-matter interactions (2018)
  • Author(s): Kyosuke Sakai, Takeaki Yamamoto, Keiji Sasaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 7746-7746
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26175-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 金ナノディスク正方格子状アレイにおける六重極子プラズモン励振 (2018)
  • Author(s): 北嶋大暉，酒井恭輔，笹木敬司
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 金属ナノ四量体の光学特性 II ―散乱スペクトル (2018)
  • Author(s): 北嶋大暉，酒井恭輔，笹木敬司
  • Organizer: 第65回応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] 金属ナノ四量体の光学特性 ―多極子相互作用へ向けて― (2018)
  • Author(s): 酒井恭輔，北嶋大暉，菅原翔太郎，笹木敬司
  • Organizer: 第65回応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Nanofocusing of Optical Vortex in Plasmonic Structures (2017)
  • Author(s): K. Sakai, S. Sugawara, M. Ide and K. Sasaki
  • Organizer: CLEO/Europe-EQEC 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金ナノディスク・プラズモニック結晶での蛍光増強 (2017)
  • Author(s): 酒井恭輔，大村竜也，笹木敬司
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会