2018 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Optical Forces: Developing new manipulation methods utilizing the resonant linear and nonlinear optical responses of matter systems
| Project Area | Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces |
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16H06505
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
岡本 裕巳 分子科学研究所, メゾスコピック計測研究センター, 教授 (20185482)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊都 将司 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (10372632)
庄司 暁 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20437370)
芦田 昌明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60240818)
熊倉 光孝 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (30324601)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 光ピンセット / 光物性 / 非線形光学効果 / 物質操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
操作対象物質の共鳴・非線形光学効果を利用した操作の自由度の拡張を目的として，下記の研究を展開した。常温液中で非線形・共鳴・偏光の効果，操作対象物の状態を定量的に調べ，新たな操作様式を開拓するため，継続して実験系を構築し，そのテストと現実系への適用を進めた。キラル金属微粒子の光捕捉実験では，波長に対する捕捉挙動の依存性についての検討を行った。有機色素を内包したサブμm高分子微粒子を対象として，二光子吸収の吸収力による微粒子操作を実現し，また誘導放出による負の光圧の検出にも成功した。共同研究[A]における多数のナノ粒子の選択的輸送実現に向けて，複数波長のレーザー光を対向照射する光学系を構築し，ナノ粒子群を複数同時に捕捉，輸送可能であることを確認した。ガラスキャピラリー内に分散した種々のナノ粒子に対し，散乱力で粒子が輸送される様子をリアルタイムに観察し，粒子にかかる散乱力の定量的な評価を行った。超解像光トラッピングの実証に向けた実験系の検討を行った。低温超流動液中及び気相の実験では，CdSeナノ粒子（量子ドット）の配列制御に向け，液体ヘリウム中のレーザーアブレーションで作製したCdSe量子ドットの単一粒子分光を行い，単一量子ドットに特有な明滅現象を見出した。これは，ナノ粒子の選択的輸送の対象として利用できることを明確に示した成果である。また量子ドットの気相中での光マニピュレーションに向けて，ナノスケールの有機溶媒クラスターを利用した量子ドットの非破壊分散装置を新たに構築し，量子ドットの分散・孤立を高速化するとともに，蒸発による量子ドットの発光効率変化の原因を明らかにした。また共同研究[B]における結晶等階層構造創製に寄与する計測法の一つとして，円偏光二色性顕微鏡の開発とその技術向上をさらに進めるとともに，キラルな金属ナノ構造によるキラル結晶核生成の実験を進めた。
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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
常温液中実験，低温実験ともに，共鳴・非線形光捕捉の定量的な解析と新たな光圧様式創出のための実験システムの性能評価と拡張，単層カーボンナノチューブを同定・定量・経時変化追跡するためのラマン分光システム，気相中への量子ドット分散のための液滴導入とその分光のための装置等，系を評価する装置や光圧による挙動を観測する装置の構築・性能向上は着実に進行している。マイクロ流路と光圧駆動を組み込んだ，カーボンナノチューブを中心とする微粒子の光分離抽出システムを新たに開発し，放射圧で分離した粒子を連続的に別容器に取り出す技術を構築した。また，高アスペクト比の粒子に対する光圧の長さ依存性についての新たな実験的知見を得た。昨年度まで展開してきた光化学反による光圧スイッチングに加え，同時二光子吸収の結果発生する非線形な吸収力により，光トラップ下の微粒子の空間的な位置をナノメートル精度で制御できることを実証すると共に，誘導放出による負の光圧発生とその実験的検出も達成でき，共鳴・非線形プロセスによる光圧ナノ物質操作の扉を開く，有望な成果が得られた。多色・多方向光照射トラップでは，波長の異なる対向レーザー光による選択的ナノ物質輸送実験の実験検証を達成した。また，磁気トラップを利用して光照射が液体ヘリウム中の金属微粒子に及ぼす力を測定することにより，光散乱による反跳に加えて，粒子の加熱に伴う第二音波発生による反跳が，働く力に大きく寄与していることが明らかになってきた。捕捉・操作の対象とするナノ微粒子の分光特性の解明についても，A03班で作製された新たな金属ナノ構造を使った実験，A04班で合成されたナノ粒子の光圧制御など，班内・班間共同研究が進展している。次年度以降の，非線形・共鳴・偏光の効果を生かした光圧実験の進展に向けた準備が進んでいる状況であり，概ね順調に推移していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
対象物質の共鳴・非線形光学効果，偏光特性等をより積極的に利用し，光圧によるナノ物質操作の自由度を拡張していくため，現在各研究グループで進めている実験配置の確立，性能向上，精緻化をさらに進める。非線形光捕捉や各研究グループの特徴的な光圧操作法，評価手法等の技術を共有して共同研究を進める。常温液相の実験では，共鳴・非線形捕捉における捕捉ポテンシャルを実測する実験を引き続き実施し，多光子マニピュレーション，負の光圧によるナノ物質操作の自由度拡大と一般性の確認を行う。キラルナノ微粒子の円偏光捕捉，超解像光捕捉の可能性の追求を継続する。多色・多方向光照射トラップでは，これまでに得られた，光化学反応による光圧制御，多光子吸収による光圧などの知見を生かし，複数粒子の選択的同時輸送実験を実施すると共に，より微小なナノ物質操作に挑戦する。また，超短パルス光照射により誘起される共鳴非線形応答を用いた化学反応誘起や量子状態変調とそれによる光圧の変調に引き続き挑戦し，光圧操作の自由度拡大のため，種々の励起状態による光圧変調など，さらなる方法論を探索する。新たに開発した微粒子抽出システムをさらに改良し，単層カーボンナノチューブに対して連続的な分離・抽出を可能とするシステムの創出を目指す。低温液体中・気相中の実験では，量子ドットから蛍光ナノダイヤモンドなどに対象を広げ，環境中に導入した粒子の光照射による運動操作を実験的に検証する。複数ビームを用いた線形及び非線形光マニピュレーションについて，詳細な実験計画を立案し，実施する。
これらの研究で得た光捕捉技術は，班間共同研究[A]や[C]において特定の光学特性を持つ微粒子を選択的に特定の位置に集め配置するための技術として用いる。また関連する光特性計測技術も，班間共同研究[A]や[B]において有効に用いる。
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[Journal Article] Nanoscale chiral surface relief of azo-polymers with nearfield OAM light2018
Author(s)
Keigo Masuda, Ryo Shinozaki, Yoshinori Kinezuka, Junhyung Lee, Seigo Ohno, Shun Hashiyada, Hiromi Okamoto, Daisuke Sakai, Kenji Harada, Katsuhiko Miyamoto, Takashige Omatsu
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Journal Title
Opt. Express
Volume: 26
Pages: 22197～22207
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Switching of Radiation Forces Acting on Small Particles by Using Photochemical Reactions2018
Author(s)
Syoji Ito, Kenji Setoura, Morio Mitsuishi, Ahsan M. Memon, Mamoru Tamura, Takuya Iida, Yuki Inagaki, Katsuya Mutoh, Jiro Abe, Masakazu Morimoto, Masahiro Irie, Hiroshi Miyasaka
Organizer
27th IUPAC International Symposium on Photochemsitry
Int'l Joint Research
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