Atomic-scale terahertz nanoscience far beyond the diffraction limit

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H01038
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Nanostructural physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Hirakawa Kazuhiko 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 単一分子トランジスタ / テラヘルツ電磁波 / ナノギャップ電極 / カーボンナノチューブ / フラーレン

Outline of Final Research Achievements

In recent years, it has become important to form transistors using quantum nanostructures such as nanowires and molecules, and to apply electron dynamics in these structures to open up a new dimension in electronics. However, the interaction between terahertz (THz) electromagnetic waves, which are very effective in elucidating and controlling the properties of nanostructures, and ultrafine nanoscale quantum structures is extremely weak.
In this study, we focused THz electromagnetic waves far beyond the diffraction limit by using an ultrasmall metal electrode with a gap of nm order as an antenna for THz waves, and clarified the electronic states and transport dynamics in ultrasmall nanostructures.

Free Research Field

量子ナノエレクトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

テラヘルツ電磁波の光子エネルギーは、単一分子やナノワイヤーなど極限ナノ構造内の様々なエネルギースケールと整合するため、電子状態やダイナミクスを明らかにするために適している。しかし、テラヘルツ電磁波の波長が100ミクロン程度と非常に長いため、ナノ量子構造に集光することができなかった。本研究では、原子スケールのギャップを有する電極をテラヘルツ電磁波のアンテナとして用いることにより、単一分子の振動によるテラヘルツ信号を読み出すことに成功した。本研究は「テラヘルツナノサイエンス」という新しい学問分野が立ち上がる大きなきっかけとなった。