2020 Fiscal Year Research-status Report
Theory of fast energy transfer using qunatum nano structures and its applicaiton to quantum nano antenna
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20K04575
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| Research Institution | Kitasato University |
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Principal Investigator |
岡 寿樹 北里大学, 理学部, 教授 (00508806)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | エネルギー移動 / ナノ構造 / 光ナノデバイス / 量子ナノアンテナ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光励起エネルギー移動は，近接した粒子間においてドナーにより吸収された光エネルギーがアクセプターへと移動する現象であり，光合成における重要な素過程の一つである．特に自然界の光合成細菌における集光アンテナ(LH)では，LHを構成する色素分子が環状に並んだ円環構造を形成することで，高速なエネルギー移動を実現していることが知られている．人工ナノ構造を用いたナノ光デバイス応用においては，上述の自然界における光合成系を模倣することが高速エネルギー移動を実現する最も効率的な方法の一つと考えられる．しかし，円環構造を人工ナノ構造体で模倣したデバイス開発研究もこれまで報告されているが，自然界のLHを超える高速化を実現した例はなく，高速化のメカニズムには単なる構造の模倣だけでは再現できない物理があると考えられる．
本研究の目的は，光合成集光アンテナの円環構造を量子ナノ構造体で模倣した量子ナノアンテナ開発のためのエネルギー移動理論を構築し，効率的かつ高速なエネルギー移動を可能にする量子ナノアンテナ開発のためのデバイス指標を与えることにある．具体的には，量子力学的な状態を考慮したエネルギー準位間の相互作用を詳細に解析し，量子効果によるエネルギー移動の高速メカニズムの可能性を探究，デバイス応用に求められるナノ構造の条件を明らかにする．
当該年度では，LHを構成する色素分子により形成される励起子準位エネルギー移動ダイナミクスを一つ一つ詳細に解析し，ドナーーアクセプター間相互作用によるバンド構造が「光吸収に寄与する準位」と「高速エネルギーに寄与する準位」とに上手く機能分担されていることを明らかにした．これは素子間の相互作用により量子準位を上手く制御すれば，エネルギー移動の高速化が可能であることを示唆しており，デバイスデザインに必要な指標を与える重要な結果といえる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初計画では，当該年度の目標は高速エネルギー移動を実現する量子ナノ構造の選定，及びデバイスデザインのパラメータ解析を行い，最適パラメータを評価することであった．しかし，研究代表者の異動とコロナ禍による緊急事態宣言により，研究機器の導入，搬送が遅れたため研究着手が大幅に遅れた．そのため，量子ナノ構造の選定の指標となる光合成系エネルギー移動の高速化のメカニズムの解析に終始した．しかし，量子ナノ構造を選定するための基礎理論は構築できたため，次年度以降に遅れを取り戻したい．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度では，当初の研究計画に従い，２体間量子ナノアンテナにおけるエネルギー移動の理論構築，更に今年度に行う予定であったデバイス選定を並行して行う．量子準位の解析及び励起子の光物性がよく研究されている量子ドット系を対象に，構築した理論を基にエネルギー移動ダイナミクスの解析を行う．またこれらの研究と並行して金属ナノ粒子によるエネルギー移動解析も行う予定である．
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Research Products
(1 results)
