円偏光磁気力顕微鏡による局所磁場観測と局所磁場による磁性ナノ粒子制御

• Project/Area Number: 19K23589
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0402:Nano/micro science, applied condensed matter physics, applied physics and engineering, and related fields
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: 山西 絢介 分子科学研究所, メゾスコピック計測研究センター, 特任研究員 (00846115)
• Project Period (FY): 2019-08-30 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 円偏光 / 磁場 / キラリティ / 光誘起力顕微鏡 / 磁気力 / ナノフォトニクス

Outline of Research at the Start

円偏光によってナノ構造体に誘起される局在磁場の利用が可能になれば、今まで実現しなかったレーザー誘起の磁性ナノ粒子トラッピング等、新たな応用が期待される。しかし、どういった形状や、材質のナノ構造体が磁性体ナノ粒子のトラッピングに適しているか、定量的に評価する手法は確立されていない。本研究では、円偏光によって誘起される磁場を探針に働く磁気力として観測する円偏光磁気力顕微鏡の技術的確立を行う。それによって、どういったナノ構造体が磁性粒子トラッピングに適している誘起磁場を作り出すか評価を行う。その後、十分な強さの磁場が誘起されたナノ構造体を用いて磁性ナノ粒子のトラッピングを実現する。

Outline of Annual Research Achievements

光と物質の相互作用をナノメートルで観測することは、長きにわたって注目されてきた研究対象である。特に、反転対称面を持たない構造を表すキラリティを持つナノ構造体は、入射する円偏光の方向に対して異なる光学応答を示すことが知られている。現れる光学応答として静磁場も考えられるが、これまでにナノ構造体のようなメゾスコピックな対象に対して、そういった相互作用（静磁場）を観測された例はない。そのため、そういったキラルなナノ構造体の光と磁気のナノスケールでの関係は、未解明なところが多い。本研究では、磁性探針を用いた原子間力顕微鏡を応用して、円偏光を照射することで生じるナノスケールでの磁場の観測を実現する円偏光磁気力顕微鏡の開発を試みた。そこで、はじめにナノスケールでの光誘起の現象を原子間力顕微鏡で観測するための測定手法である、ヘテロダインＦＭ法の導入に成功した。この方法は、光誘起の現象を観測する際に生じる探針と試料の熱膨張の効果を磁場の信号から分離する方法である。さらに、ヘテロダインＦＭ法の導入と、光誘起の現象の高い検出感度での測定に必要な周波数変調方式の原子間力顕微鏡法の導入に成功した。この方法は、力検出器の共振周波数の変化を測定することで、探針-試料間距離の制御を行う方法である。これらの方法を用いて、探針と試料（金ナノ構造体）の双極子間の相互作用を測定することによる光誘起の現象の観測に成功した。これによって、精度高く光誘起の現象が観測できることが明らかになった。