電子共鳴と構造共鳴のインタープレイによる新奇メタマテリアルの研究

• Project Area: Electromagnetic Metamaterials
• Project/Area Number: 23109511
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 石原 一 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60273611)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2012: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2011: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: メタマテリアル / プラズモン / ナノキャップ / 励起子 / 自己無撞着

Outline of Annual Research Achievements

本年度は以下のような研究を行った。
[1]これまで、ナノギャップを持つ金属ナノ構造で構成された光アンテナと分子の量子力学的結合モードの干渉効果により、分子に光エネルギーが集中するエネルギー透過現象をコヒーレント光入射の場合に明らかにしていたが、本年度これが単一フォトンパルスに対しても起こることを理論的に明らかにした。また、これが起こる条件は、入射フォトンパルスの長さが、光アンテナと分子の結合定数で決まる結合モードの立ち上がり時間より長ければよいことが分かった。従って、エネルギー透過現象は入射光の古典的コヒーレンスには直接に関係しないことを示すことが出来た。
[2]誘電率に非対角項がある磁性誘電体の集合系に対する光学応答の計算法を多重極散乱理論におけるT行列法及びvector-KKR法などを基に構築した。これによりコットンームートン効果を有するユニットの配列系が入射ビームの伝播方向にどのように影響するかを調べることが出来るようになった。
[3] 光アンテナと分子の量子力学的結合系を強励起することによって、二準位分子系に反転分布を形成できることを明らかにした。またこのことは励起光と出力光が異なる波長変換的に起こることも分かった。このような系の配列系を実現することによって将来、インコヒーレントーコヒーレント変換が可能になることを示唆する重要な結果である。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Energy transparency of an antenna-molecule coupled system by a single-photon incidence (2013)
  • Author(s): T.Yano,M.Nakatani,K.Osono and H.Ishihara
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 117 Issue: 6 Pages: 2559-2566
  • DOI: 10.1021/jp306347f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theory for self-consistent interplay between light and nanomaterials strongly modified by metallic nanostructures (2013)
  • Author(s): A.Ishikawa,K.Osono,A.Nobuhiro,Y.Mizumoto,T.Torimoto and H.Ishihara
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 15 Issue: 12 Pages: 4214-4225
  • DOI: 10.1039/c2cp43442c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical analysis of wavelength conversion through an antenna-enhanced up-conversion (2012)
  • Author(s): Yoshiki Osaka, Nobuhiko Yokoshi, Masatoshi Nakatani, Hajime Ishihara
  • Journal Title: physica status solidi (c) Volume: 9 Issue: 12 Pages: 2525-2528
  • DOI: 10.1002/pssc.201200431
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanism of excitation energy transfer between ring-shaped aggregates of pigments (2011)
  • Author(s): M.Nakatani, G.Tei, H.Ishihara
  • Journal Title: physica status solidi B Volume: 248 Issue: 2 Pages: 448-451
  • DOI: 10.1002/pssb.201000672
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The function of geometrical structure of B850 ring in bacterial photosynthetic antenna systems (2011)
  • Author(s): G.Tei, M.Nakatani, H.Ishihara
  • Journal Title: physica status solidi B Volume: 248 Issue: 2 Pages: 399-402
  • DOI: 10.1002/pssb.201000655
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous optical response of metal-molecule coupled system (2011)
  • Author(s): H.Ishihara, A.Nobuhiro, M.Nakatani, Y.Mizumoto
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A : Chemistry Volume: 211 Issue: 2-3 Pages: 148-153
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2011.02.017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasmon-Enhanced Photocatalytic Activity of Cadmium Sulfide Nanoparticle Immobilized on Silica-Coated Gold Particles (2011)
  • Author(s): T.Torimoto, H.Horibe, T.Kameyama, K.Okazaki, S.Ikeda, M.Matsumura, A.Ishikawa, H.Ishihara
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 2 Issue: 16 Pages: 2057-2062
  • DOI: 10.1021/jz2009049
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 分子-アンテナ複合系における量子干渉効果と高効率2光子上方変換 (2013)
  • Author(s): 逢坂良樹、余越伸彦、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2013年春季大会
  • Place of Presentation: 広島大学（広島）
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] アンテナー分子複合励起による光エネルギーマニピュレーション (2013)
  • Author(s): 石原一
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会（2013）特別企画講演「複合励起が拓く高度光子利用分子プロセス」
  • Place of Presentation: 立命館大学（滋賀）
  • Year and Date: 2013-03-22
  • Invited
• [Presentation] メタマテリアル材料に関する理論的研究と赤外分光の役割 (2013)
  • Author(s): 石原一
  • Organizer: 平成24年度GIGNO研究領域創成支援プロジャクト研究会「赤外放射光を利用した機能性材料科学分野の創成」
  • Place of Presentation: メルパレク大阪（大阪）
  • Year and Date: 2013-03-11
  • Invited
• [Presentation] 分子-アンテナ複合系における量子干渉効果と高効率非線形光学応答 (2012)
  • Author(s): 逢坂良樹、余越伸彦、中谷正俊、石原 一
  • Organizer: 第23回光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪）
  • Year and Date: 2012-12-08
• [Presentation] アンテナ-分子結合系における単一光子エネルギー透過 ： 位相緩和の効果 (2012)
  • Author(s): 矢野嵩格、中谷正俊、石原 一
  • Organizer: 第23回光物性研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪）
  • Year and Date: 2012-12-07
• [Presentation] 磁性フォトニックス結晶による非相反的光伝搬制御の理論 (2012)
  • Author(s): 福島宏一、中島龍也、東海林篤、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学（神奈川）
  • Year and Date: 2012-09-20
• [Presentation] アンテナ-分子結合系における非線形光励起と波長変換 (2012)
  • Author(s): 余越伸彦、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学（神奈川）
  • Year and Date: 2012-09-19
• [Presentation] アンテナ系と二準位系の結合によるエネルギー透過の全量子論：位相緩和の影響 (2012)
  • Author(s): 矢野嵩格、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学（神奈川）
  • Year and Date: 2012-09-19
• [Presentation] Theoretical analysis for strong nonlinearity of excitations in an antenna-coupled double quantum dot (2012)
  • Author(s): N. Yokoshi and H. Ishihara
  • Organizer: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON'12)
  • Place of Presentation: Groningen,the Netherlands
  • Year and Date: 2012-07-05
• [Presentation] Two-photon up-conversion dynamics in four-level diamond-shaped systems with an optical antenna (2012)
  • Author(s): Y. Osaka, N. Yokoshi, M. Nakatani and H. Ishihara
  • Organizer: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON'12)
  • Place of Presentation: Groningen,the Netherlands
  • Year and Date: 2012-07-05
• [Presentation] Photon-energy transparency on a nanoantenna-molecule coupled system (2012)
  • Author(s): T. Yano, M. Nakatani and H. Ishihara
  • Organizer: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON'12)
  • Place of Presentation: Groningen,the Netherlands
  • Year and Date: 2012-07-03
• [Presentation] Linear and nonlinear optical responses of antenna-molecule coupled system (2012)
  • Author(s): H. Ishihara
  • Organizer: The 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials (EXCON'12)
  • Place of Presentation: Groningen,the Netherlands
  • Year and Date: 2012-07-03
  • Invited
• [Presentation] Full-quantum analysis of energy transparency on an antenna-molecule coupled system (2012)
  • Author(s): T. Yano, M. Nakatani and H. Ishihara
  • Organizer: 5th International Conference on Opticai, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMA2012)
  • Place of Presentation: 新公会堂（Nara）
  • Year and Date: 2012-06-07
• [Presentation] A nonlinear photoexcitation process for wavelength conversion in antenna-molecule coupled systems (2012)
  • Author(s): N. Yokoshi and H. Ishihara
  • Organizer: 5th International Conference on Opticai, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMA2012)
  • Place of Presentation: 新公会堂（Nara）
  • Year and Date: 2012-06-04
• [Presentation] Theoretical analysis of wavelength conversion through an antenna-enhanced up-conversion process (2012)
  • Author(s): Y. Osaka, N. Yokoshi, M. Nakatani and H. Ishihara
  • Organizer: 5th International Conference on Opticai, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications(ICOOPMA2012)
  • Place of Presentation: 新公会堂（Nara）
  • Year and Date: 2012-06-04
• [Presentation] 磁性フォトニクス結晶による非相反的光伝搬制御の理論 (2012)
  • Author(s): 福島宏一、中島龍也、東海林篤、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2012年春季大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学(兵庫県)
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] ダイヤモンド型4準位系における2光子上方変換のアンテナ増強 (2012)
  • Author(s): 逢坂良樹、余越伸彦、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2012年春季大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学(兵庫県)
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] Microscopic energy manipulation through quantum coupling between antenna and molecules (2012)
  • Author(s): 石原一
  • Organizer: 理研メタマテリアルシンポジウム2011
  • Place of Presentation: 理化学研究所(埼玉県)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-27
• [Presentation] 光アンテナ-量子ドット結合系における2光子非線形過程の理論的解析 (2011)
  • Author(s): 逢坂良樹、余越伸彦、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 第22回光物性研究会
  • Place of Presentation: 熊本大学(熊本県)
  • Year and Date: 2011-12-10
• [Presentation] アンテナと二準位系の結合におけるエネルギー透過の全量子論 (2011)
  • Author(s): 矢野嵩格、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 第22回光物性研究会
  • Place of Presentation: 熊本大学(熊本県)
  • Year and Date: 2011-12-10
• [Presentation] アンテナ系とのコヒレーレント結合による二準位系の反転分布 (2011)
  • Author(s): 中谷正俊、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2011-09-24
• [Presentation] 光アンテナを利用した量子もつれ光子対のアップコンパーションの理論的解析 (2011)
  • Author(s): 逢坂良樹、余越伸彦、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2011-09-24
• [Presentation] 光合成アンテナ系をヒントにした人工光アンテナの提案 (2011)
  • Author(s): 鄭豪、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] アンテナ系と二準位系の結合によるエネルギー透過の全量子論 (2011)
  • Author(s): 矢野嵩格、中谷正俊、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] 円筒状磁性誘電体の二次元配列構造体における光伝播制御の理論 (2011)
  • Author(s): 福島宏一、中島龍也、東海林篤、石原一
  • Organizer: 日本物理学会・2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] An efficient light-harvesting system to excite optically-forbidden states of molecular (2011)
  • Author(s): G.Tei, M.Nakatani, H.Ishiha
  • Organizer: The 7th Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics (ISTCP-VII)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2011-09-03
• [Presentation] プラズモン増強電場を用いた蛍光標準ポリマーの光捕捉と分光計測 (2011)
  • Author(s): 利光麻里子、東海林竜也、喜多村昇、松村有里子、山内宏昭、伊都将司、宮坂博、高瀬舞、村越敬、水本義彦、石原一、坪井泰之
  • Organizer: 第72回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-08-31
• [Presentation] フェムト秒レーザー励起によるプラズモンを用いたナノ粒子の光捕捉 (2011)
  • Author(s): 東海林竜也、柴田路子、利光麻里子、高瀬舞、村越敬、水本義彦、石原一、喜多村昇、坪井泰之
  • Organizer: 第72回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-08-31
• [Presentation] Up-conversion dynamics of entangled-photons with an optical antenna (2011)
  • Author(s): Y.Osaka, N.Yokoshi, M.Nakatani, H.Ishihara
  • Organizer: The 6th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SPINTECH6)
  • Place of Presentation: Shimane, Japan
  • Year and Date: 2011-08-05
• [Presentation] Optical response of a periodic array of cylindrical magnetodielectrics (2011)
  • Author(s): K.Fukushima, M.Nakatani A.Syouji, H.Ishihara
  • Organizer: The 6th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SPINTECH6)
  • Place of Presentation: Shimane, Japan
  • Year and Date: 2011-08-04
• [Presentation] The relations between the efficiency of excitation energy transfer and ring size of ring-shaped light harvesting complex (2011)
  • Author(s): G.Tei, M.Nakatani, H.Ishihara
  • Organizer: Photosynthesis Research for Sustainability
  • Place of Presentation: Baku, Azerbaijan
  • Year and Date: 2011-07-25
• [Presentation] Full-quantum analysis of energy transparency on an antena-molecule coupled system (2011)
  • Author(s): T.Yano, M.Nakatani, H.Ishihara
  • Organizer: 1st Korea-Japan Metamaterials Forum 2011
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2011-07-08
• [Presentation] Unconventional optical properties of an antenna-molecule coupledsystem (2011)
  • Author(s): H.Ishihara, M.Nakatani, A.Nobuhiro, Y.Mizumoto
  • Organizer: 1st Korea-Japan Metamaterials Forum 2011
  • Place of Presentation: Seoul, Korea(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-07
• [Book] レーザー学会誌「レーザー研究」Vol. 41, No. 3 (2013)
  • Author(s): 石原一
  • Publisher: 近接場相互作用による分子励起制御
• [Book] 局在プラズモンと分子結合系の物理 (2011)
  • Author(s): 石原一
  • Total Pages: 779
  • Publisher: 応用物理