2017 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of the collisional dynamics between nanoparticles with an ultralow-velocity collider
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16H06016
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
相川 清隆 東京工業大学, 理学院, 准教授 (10759450)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / オプトメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、ナノサイズの試料を真空中に浮かべてその内部の物性を探究する、これまでにない物性実験手法を創出することである。特に、多くの物性実験で用いられる希釈冷凍機では到達不可能な超低温（絶対零度1mK以下）へと試料の温度を冷却する技術を開発することを目標とする。この目標に向け、本研究ではナノ粒子同士の衝突を利用する新たな冷却機構の実現を目指す。
平成29年度は、複数のナノ粒子を光格子に捕捉した後、光格子を切ることで粒子間衝突を引き起こす実験を進めた。その中で、粒子が衝突したと考えられる事象が少数ながら観測されたものの、多くの場合に粒子同士が衝突する前に粒子が捕捉光トラップから逃げてしまうことが判明した。この現象は、粒子が帯電しており、お互いにクーロン反発することで生じるものと考えられたことから、真空槽内に電極を導入し、粒子が帯電しているかどうかについて詳しく調べた。この結果、粒子は多くの場合に数十程度の価数で帯電していることがわかった。
また、この研究と関連して、特にサイズの大きな粒子や屈折率の高い材質からなる粒子を光捕捉すると、自発的に発振し始め、数時間に渡って安定して発振状態を維持する新しい現象を発見した。粒子からの散乱光を詳しく分析した結果、この発振現象は、一つの光格子内に2個以上の粒子が同時に捕捉された場合に生じるものであることが判明した。このような現象はこれまでに知られておらず、特に真空中で光捕捉されたナノ粒子という新しい実験系を扱う上で、重要な知見となると考えられる。発振が生じる具体的なメカニズムについて、明確な結論は得られておらず、複数のナノ粒子を扱う研究において今後の重要な課題となるといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では、ナノ粒子同士の衝突ダイナミクスを探ることを目的として研究を進めてきたが、本年度の研究により、ナノ粒子がかなり大きな電荷を持っていることがわかった。このことは、ナノ粒子同士のクーロン反発が非常に強いことを示唆しており、粒子同士の付着や内部状態の変化を伴う衝突といった、当初予想していた現象はほとんど起こらないと考えられる。すなわち、当初想定していたような、中性ナノ粒子同士のダイナミクスを調べることは、現状では難しいとの結論が得られた。
なお、本来予定にはなかった成果として、複数のナノ粒子が自発的に起こす発振現象の発見を論文として報告した。ナノ粒子からの散乱光の時空間変化を分析した結果、この現象は2個以上のナノ粒子が単一光格子内に捕捉されている場合に自発的に生じることを見出し、粒子が別格子に分離した際には発振が止まること、また発振現象は2粒子がお互いの周りを周回するような軌道運動であることを突き止めた。また、この現象は、屈折率の高い材質からなるナノ粒子や、サイズの大きなナノ粒子において起きやすいことを突き止めた。ただし、この現象の理論的な解明はまだ行われておらず、今後の重要な課題となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現状では、ナノ粒子が大きく帯電しており、粒子間に強いクーロン力が働いているため、衝突ダイナミクスを追究することは困難である。そこで、ナノ粒子の持つ価数の制御を個試みる予定である。ナノ粒子の帯電価数を小さな値に減らすことができれば、衝突ダイナミクスを探る研究を進められると考えている。また、29年度の研究において、光格子を切ることで衝突を引き起こすスキームは、元々捕捉レーザー光が持っている集光特性により粒子が逃げやすい、という問題も見えているため、別のアプローチも検討する予定である。
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