| Project/Area Number |
21H01782
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
三宮 工 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (60610152)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 稔 神戸大学, 工学研究科, 教授 (00273798)
斉藤 光 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (50735587)
秋葉 圭一郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主任研究員 (80712538)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
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| Keywords | 透過電子顕微鏡 / カソードルミネセンス / ナノフォトニクス / 円偏光 |
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| Outline of Research at the Start |
光の角運動量選択は量子通信・暗号化に不可欠な要素である。本研究では、この光の角運動量を定量検出するソーターを作製し実証する。これまで角運動量選択には、対掌性をもつキラル構造が提案されてきたが左右回転パリティへの応答が同等でなく、定量性・堅牢性に欠けていた。今回、アキラルな構造を用いた光アンテナ・導波路を用いて、両パリティに同等に応答する角運動量ソーターを実現する。この計測のために、光のエネルギー・励起位置・発光位置・発光角度の全情報を同時に得られる多空間同時計測カソードルミネセンスを開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
光の角運動量選択は量子通信・暗号化に不可欠な要素である。これまで角運動量選択には、対掌性をもつキラル構造が提案されてきたが左右回転パリティへの応答が同等でなく、定量性・堅牢性に欠けていた。本研究は、アキラルな構造を用いた光アンテナ・導波路を用いて、両パリティに同等に応答する角運動量ソーターを実現し、更にこの計測のために、光のエネルギー・励起位置・発光位置・発光角度の全情報を同時に得られる多空間同時計測カソードルミネセンスを開発するものである。
２０２２年度は、第一年度に設計した構造をベースに、各要素（アンテナ、導波路）を作製・実測した。すでに球体アンテナ構造が両パリティに同等な円偏光アンテナとして機能することがわかっているが、今回は特に、複数の球体からなる構造における円偏光アンテナ、それを発展させた鎖導波路について円偏光特性を調査した。また、単一球アンテナついても、ウイスパリングギャラリーモードがアンテナ利用できることが明らかとなった。
また、走査型透過電子顕微鏡をベースにした角度・波長・円偏光情報を同時に取得するナノスケール光マッピングである完全偏波4次元CL（4D-CL）法において、長時間計測におけるドリフト補正をした画像間の演算を行う解析ソフトウェアを作成した。上述の複数の球体からなる光ナノアンテナの計測が実施可能となった。
さらに、通常のCL法では、特定できなかった発光位置分解を実施した。それに必要なハードウェアおよびソフトウェアを整備し、実測可能なシステムとしておおよそ稼働し始めるところまで到達している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の実施に必要不可欠な手法として、励起発光位置同時分解のカソードルミネセンス法のベースが完成し、動作することが確認できている。これまでにない全く新しい手法であり、この成果はIF18.03のACS Nano 誌で公表されている。
アンテナ・構造に関しても、ウィスパリングギャラリーモードを有するシリコン粒子アンテナに関しても研究分担者と共同で論文発表までできており、ACS Photonics誌に公開されている。
金属ナノアンテナ構造としても、相分離した合金ナノ粒子アンテナの生成過程をその場観察した論文がACS Applied Materials and Interfaces誌に公開された。この成果は株式会社日本電子との共同研究であり、企業WEBサイトでもリリースされている。
このように順調に研究は進んでおり、また多くの成果が論文としての公表までこぎつけていることから、計画以上に進んでいるといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
・アンテナおよび導波路の作製と解析：複数の球体からなる構造における円偏光アンテナの解析を実施する。すでに計測は実施済みの２球、３球からなる誘電体アンテナからの円偏光生成の解析を行い円偏光生成メカニズムおよびその制御についての調査を行う。また、ジグザグ鎖のアンテナ構造はそれ自身でトポロジカルな特性をもつため、５球以上のジグザグ鎖からなるアンテナ構造のトポロジカルな性質の解析も合わせて実施する。また、導波する構造についても円偏光、導波特性を調査する。
・カソードルミネセンス法の開発と実測：前年度までに、高倍率での観察に問題となるマッピングデータのドリフトを補償し、複数の偏光のマッピングデータ間の演算を可能とする解析方法を確立した。また、励起位置・発光位置同時分解CL法も確立されつつあり、これらを用いて、前述のローカルな円偏光特性の解析を実施する。今年度は、さらに偏光度の評価が可能なように解析ソフトウェアを更新する。角度分解計測と合わせて、この偏向度の解析により、プラズモンや誘電体モードからのコヒーレントな発光と、蛍光などインコヒーレントで無偏光な放射との区別が可能になると期待できる。これには全偏光情報（６つの異なる偏光マッピング）の取得によるストークスパラメタの解析が必要であるため、ドリフト補正がベースになる。
・温度計測：前年度に実施したWhispering Gallery Modeの解析から、そのモード波長のシフトから温度計測が可能であることがわかってきた。このアプローチにより、電子顕微鏡内においてサンプル温度計測が可能となる。レーザー照射や電子線照射による温度上昇の計測を試みる。レーザーアブレーションの初期過程の知見や、電子線照射による直接的な温度計測が初めて可能となる。
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