Ultrasensitive Nonlinear Vibrational Spectroscopy Using Light-Matter Strong Coupling

Research Project

Project/Area Number	20F20067
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	外国
Review Section	Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	芦原聡東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10302621)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	SINGH GOVIND 東京大学, 生産技術研究所, 外国人特別研究員
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help	¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000) Fiscal Year 2020: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords	プラズモニクス / 強結合 / 分子振動 / 赤外分光 / 化学反応制御
Outline of Research at the Start	生体分子や薬物分子の機能解析および高度な血液診断へ向けて、分子の三次元構造とダイナミクスを高感度に計測する手法が切望されている。赤外光は分子振動と共鳴するため、分子構造を解析する能力に優れるため、赤外光を用いた非線形分光法により、分子の三次元構造とダイナミクスを計測することが可能となる。本研究では、分子にプラズモンを強く結合させた系に非線形分光法を適用することで、究極的な感度を有する非線形振動分光法を創出する。成功すれば、タンパク質の高次構造やタンパク質と薬物分子との相互作用を高感度に解析できるようになり、生命科学・創薬・ヘルスケア・環境・エネルギーの各分野で有望な分析技術となる。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、赤外光と分子振動の相互作用が顕著に高まった状態、すなわち「強結合」を生成する手法を提案し、数値計算と実験を通してその原理実証に成功した。特に、放射ロスが抑制された微小なプラズモン共振器を設計し、それを用いることにより、これまで報告された中で最も小さなモード体積での強結合を実現した。本成果は、振動分光の高感度化に資する点で重要な意義をもつ。赤外光と分子振動の強結合により、分光計測における信号が顕著に増強される。例えば、マイクロ流路における少数分子の高感度検出に資するだろう。本成果は、化学反応制御の新たな可能性を提供する点でも重要な意義をもつ。分子振動を電磁場と強く相互作用させると、対象とする分子振動モードの基準座標に沿って、ポテンシャル曲面の形状が変化するため、特定の化学反応を促進あるいは抑制することが可能になるのである。以下、成果の詳細を記す。１）高Q値のプラズモン共振器：金属-分子膜-金属というサンドイッチ構造を採用することにより、対象分子を閉じ込めた微小かつ高Q値の共振器を設計した。２）真空ラビ分裂の観測：ポリメタクリル酸メチル樹脂のCO伸縮振動モードを対象とし、反射スペクトルを計測したところ、共振器と分子振動の共鳴が分裂した新しい共鳴構造（エネルギー分裂量＞100 cm-1）が確認された。また、顕微反射分光法により、この強結合が単一プラズモン共振器によって達成されていることを確認した。３）ナノスケール共振器がもたらす効果：厚みの異なる共振器でのラビ分裂量から、厚み10ナノメートル以下でも強結合を達成できることを見出した。また、結合強度が電磁場と分子の空間的重なりの度合いによって決まること、金属表面の鏡像電荷が結合強度を増大させることを明らかにした。以上の成果をThe Journal of Physical Chemistry Letters誌に発表した。
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。