Optical force spectroscopy
| Project/Area Number |
22K18978
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
笹木 敬司 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00183822)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Pin Christophe 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (50793767)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
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| Keywords | 光圧 / 単一ナノ粒子 / 超高感度吸収分光 / 運動量 |
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| Outline of Research at the Start |
光のエネルギーを観測する既存の分光法とは概念が異なり、共鳴吸収による光の運動量変化により発生する力(光圧)を利用した新しい原理に基づく単一ナノ粒子の超高感度スペクトロスコピーを創製する。本手法は、ナノ粒子の電子のミクロな運動(波動関数)が光圧を介して粒子のマクロな運動として現れることに着目し、粒子の運動計測から共鳴吸収の定量解析を実現するものであり、吸収過程の直接観測法であると同時に零位法であるため単一分子レベルの超高感度化が可能である。光圧ナノスペクトロスコピーは、光科学技術にパラダイムシフトをもたらすとともに、ナノ物質科学・材料創製研究においてブレークスルーとなりうる新展開が期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノキャピラリー光導波路を用いた光圧共鳴吸収スペクトロスコピーシステムを構築している。ナノキャピラリーは、ガラスキャピラリーに熱をかけて延伸することにより、長さが数mm、外径が光波長程度、内径が数100 nmまで細くしたものである。これはpL～fLの試料溶液を入れるセルであるとともに、回折限界まで集光した高強度な光を長距離均一にシングルモード伝搬させる光導波路の機能を持つ。このナノキャピラリーにナノ粒子を分散した溶液を注入し、端面からレーザー光を入射して単一ナノ粒子の吸収による光圧（共鳴吸収力）を発生させ、粒子の並進運動から吸収断面積を定量解析する手法である。本手法により種々のナノ粒子について単一分子レベルの吸収断面積の定量解析やナノ粒子をの分離選別輸送が実現できる。
１）ナノキャピラリーの伝搬モードと共鳴吸収力の理論解析：ナノキャピラリー光導波路にレーザー光を導入したときの伝搬モードや偏光特性、運動量解析、共鳴吸収力を詳細に解析し、最適なナノキャピラリーの設計および光圧粒子運動の流体力学・熱運動解析による計測感度・吸収解析精度を精査した。また、角運動量変換を伴う共鳴吸収過程におけるスピン・軌道角運動量の転写・保存・変換特性について理論解析した。
２）光圧共鳴吸収スペクトロスコピーシステムの構築と性能評価：設計したナノキャピラリーを高精度に作製し、加減圧装置により微量試料溶液を精密に注入するとともに、半導体レーザーの角運動量を制御して入射させ、超高感度CCDカメラを搭載した光学顕微鏡を用いてナノ粒子の散乱から並進・回転運動をnm精度で解析するシステムを構築した。また、ナノファイバーを用いたナノ粒子光圧選別輸送の実験に成功している。さらぶ、共鳴吸収スペクトルや過渡吸収ダイナミクスの測定に挑戦している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は理論解析およびナノキャピラリー光導波路の設計、実験系の早急な立ち上げを行い、「研究実績の概要」に記載した２つの研究項目を実施することができた。ナノキャピラリーの伝搬モードと共鳴吸収力の理論解析については、計画通りに光導波路中の偏光特性、運動量解析、共鳴吸収力を詳細に解析し、計測感度・吸収解析精度を精査することができた。ナノキャピラリー周囲のエバネッセント場については、スピン角運動量の生成等、新規な現象の理論解析も進めている。光圧共鳴吸収スペクトロスコピーシステムの構築と性能評価については、計画に基づいて高精度な光圧ナノスペクトロスコピーの実験系が構築できつつある。数百ナノメートル径のキャピラリーに試料溶液を注入する技術の構築に時間を要したが、加減圧装置の工夫により精密注入生業を実現している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は以下の２つの研究項目を中心に光圧スペクトロスコピーの開発を推進する。
１)今年度に引き続き、ナノキャピラリーの伝搬モードと共鳴吸収力の理論解析として、角運動量変換を伴う共鳴吸収過程におけるスピン・軌道角運動量の転写・保存・変換特性について理論解析し、回転運動からナノ粒子の共鳴吸収特性や円二色性などキラリティーに関する特性を抽出する手法の理論・シミュレーション解析を実施する。また、光圧共鳴吸収スペクトロスコピーシステムの構築と性能評価として、波長可変レーザーや超短パルスレーザーを導入してナノ粒子の共鳴吸収スペクトルや過渡吸収ダイナミクスの超高感度測定に挑戦する。
２）光トルク誘起回転運動による円二色性スペクトロスコピー：左右円偏光の共鳴吸収が異なる円二色性をもつナノ粒子について、光トルクによる回転運動の方向と速度から単一ナノ粒子の円二色性スペクトルを超高感度に計測する手法を創製する。キラル分子集合体の円二色性・旋光性の定量測定を行い、スピン・軌道角運動量の変換過程の理論解析との整合性を検証する。また、ナノキャピラリーの両端から波長・偏光状態の異なるレーザー光を対向して入射し、キラリティーによる光圧分離選別を実現する。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
