2016 Fiscal Year Annual Research Report
Ultimate scheme of optical forces: Manipulation of single molecules on the nanometer scale by utilizing localized electric field, and the operation over macroscopic regions
| Project Area | Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces |
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| Project/Area Number |
16H06506
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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) |
村越 敬 北海道大学, 理学研究院, 教授 (40241301)
森田 隆二 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30222350)
深港 豪 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (80380583)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 光ナノマニピュレーション / プラズモニックトラッピング / ナノ光渦 / 単一分子光操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分子・分子集合体に作用する光圧をナノ空間で自在にデザインし、室温・媒質中においてナノ物質制を個別選択的に捕捉・操作し、配置・配向・配列を制御する技術を世界に先駆けて開発するとともに、多様な光圧制御技術により光物質操作のマクロ化を実現する事を目的としている。
H28年度は、ナノ空間の光圧デザインを進めるため、局在プラズモン場の多重極特性・偏光回転特性など光電場のナノ形状をシミュレーション解析し、ナノ光電場成形に最適な金属ナノブロックの形状やサイズ、配置、ナノギャップサイズの設計を行った。この知見を基に微細加工技術により、シミュレーション解析で設計した形状・サイズを持つ金ナノ構造体（ダイマー、トライマー構造）の作製に成功し、使用するレーザー波長に共鳴を持つ事を確認した。また、試作した構造の局在場特性を明らかにするため、白色光全反射照明を用いた散乱型ニアフィールド顕微鏡を構築し、金ナノダイマー構造中に誘起される局在プラズモン場分布の照射波長依存性を調べた。その結果、全反射照明により誘起された高次モードと基本モードの干渉効果により、ホットスポット位置が照射波長に応じて変化する様子を明らかにした。さらに単一分子レベルの光操作の実現に向け、ナノ空間におけるナノ粒子の運動を高感度に計測する光イメージングシステムを構築した。この装置を用い、試作した金ナノ構造体（トライマー構造）に円偏光を照射すると、直径数十～100nm程度の高分子微粒子や有機分子集合体の光捕捉・回転運動が誘起される様子を確認し、金ナノトライマー構造のギャップ部への円偏光転写により、ナノ粒子の運動操作に成功した。
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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
当初の予定通り、ナノ空間のデザインを行うための金ナノ構造体の設計・試作に成功し、その構造中に誘起される局在場の波長依存性やナノ粒子の光捕捉や運動操作・解析のデモンストレーションに成功しているため、おおむね当初の予定通りに進捗していると言える（学会発表済み、論文準備中）。しかし、当初予定していた光局在性やキラリティーの制御性の検討や分子レベルサイズの光捕捉までには至っておらず、今後も継続して研究を遂行する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続き、金属ナノ構造体に光渦ビームを照射したときの局在プラズモン場の多重極特性・偏光 回転特性など光電場のナノ形状のシミュレーション解析を行い、ナノ光電場成形に最適な金属ナノ構造体のサイズ ・配置・ナノギャップの形状を設計するとともに、スピン・軌道角運動量を精密に制御できる光学システムの設計を行う。設計に基づき、高精度光渦ビーム光源を開発し、微細加工技術により作製した金ナノ構造体に集光するナノ光電場成形システムを構築する。このナノ成形光電場を用いてシングルナノスケールの光圧ポテンシャルを形成し、単一分子観測技術との併用により、種々の分子・分子集合体のトラッピング実験を行うとともに、蛍光ラベルした分子の熱運動を追跡して分子に作用する光圧ポテンシャルを解析し、ナノ成形光電場における分子集団のナノスケール運動を高精度に計測する。さらに、高感度顕微ラマン/蛍光分光装置によって単一分子の方位、電子状態、分子温度を明確にしつつ、分子個々に作用する光圧の定量解析を行う。これらの解析結果を光圧デザインにフィードバックして分子光操作の極限的高精度化を追求する。
また、単体の金属ナノ構造体と光渦ビームの結合効率は回折限界により制限されるが、我々は、構造体を多数個配列して共鳴条件に設定すると、周期構造のモードと光渦ビームが強く結合して多重極子が集団的に励振されることを理論的に予測している。金属ナノ周期構造体の配列・周期・モードを設定してシミュレーション解析し、最適構造をデザインするとともに、ナノ光電場成形システムを用いて多重極プラズモン集団共鳴励振を実証する。
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| Remarks |
http://optsys.es.hokudai.ac.jp/
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