2021 Fiscal Year Annual Research Report
Ultimate control of nano-localized plasmonic fields
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21H04657
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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) |
藤原 英樹 北海学園大学, 工学部, 教授 (10374670)
Pin Christophe 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (50793767)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 局在プラズモン / 金属ナノ構造体 / 光マニピュレーション / 光渦 / 光角運動量 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）プラズモニック構造体の最適設計
光から局在プラズモンへの運動量・スピン角運動量・軌道角運動量の転写・変換・保存等の特性を理論的に解析し、プラズモン場の振幅・位相・偏光の分布や共鳴スペクトルを自在に成形して光と物質の相互作用の極限制御を実現する金属ナノ構造体を設計した。また、我々がこれまで培ってきた解析法の知識・経験・ノウハウに基づいて電磁界シミュレーションアルゴリズムを高度化し、局在プラズモンの増強効果・共鳴特性・偏光特性・角運動量特性等と金属ナノ構造体の形状（サイズ・空間自由度・回転対称性等）の関係について詳細に解析して金属ナノ構造体の最適形状をデザインしている。
２）最適ナノギャップ構造体による光トラッピング
これまでに金属ナノギャップ構造体の光局在場を用いてナノ粒子の光トラッピングや光反応プロセスの増強を実現してきたが、実験に用いた構造は金のボウタイ構造や四角平板二量体であり、プラズモン共鳴波長の同調のために構造サイズを200～300 nmより大きくできず、μmスポットのレーザー光とのカップリング効率は低かった。また、波長オーダーの周期構造(プラズモニック結晶)を利用してもナノギャップへの集光効率の向上は実現できていなかった。本年度は、ナノギャップ局在場の電場増強度を最大化する金属ナノ構造の形状デザインに挑戦し、ギャッププラズモンの特性評価と種々の応用技術に展開した。設計したナノギャップ構造の作製は、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業の設備を利用し、我々の長年の経験と蓄積したノウハウで高度・高精度なナノ加工を行った。作製した構造を用いて、我々が既に開発した光圧ポテンシャル測定システムによりナノ粒子に作用する勾配力や散乱力を詳細に定量解析するとともに、これまで実現できていない10 nm以下の粒子の捕捉や単一分子トラッピングの実現に挑戦している。
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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
本年度は計算機システムと実験系の早急な立ち上げを行い、「研究実績の概要」に記載した２つの研究項目を実施することができた。プラズモニック構造体の最適設計については、計画通りに電磁界シミュレーションアルゴリズムを高度化することを実現し、最適化条件を与えればナノ構造体を自動設計することが可能になった。ただし、プラズモニック構造体の金属を構造設計する場合に解が発散することが稀に生じるという問題が残されている。最適ナノギャップ構造体による光トラッピングについては、計画に基づいてナノギャップ局在場の電場増強度を最大化する金属ナノ構造の形状デザインに挑戦している。まだ、完全な最適設計の実現には至っていないが、現状の設計構造で微細加工を行い、光圧ポテンシャル測定システムによりナノ粒子に作用する勾配力や散乱力を詳細に定量解析することに成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は以下の２つの研究項目を早急に実施する。
１）プラズモニック構造体の最適設計
今年度に引き続き、プラズモン場の振幅・位相・偏光の分布や共鳴スペクトルを自在に成形して光と物質の相互作用の極限制御を実現する金属ナノ構造体を設計する。我々がこれまで培ってきた解析法の知識・経験・ノウハウに基づいて電磁界シミュレーションアルゴリズムを更に高度化し、局在プラズモンの増強効果・共鳴特性・偏光特性・角運動量特性等と金属ナノ構造体の形状（サイズ・空間自由度・回転対称性等）の関係について詳細に解析して、本年度に実現できなかった金属ナノ構造体の最適形状デザインを実現する。
２）太陽エネルギー変換用の広帯域・高吸収率ナノ構造体の設計
我々は、プラズモニック構造体とファブリペロー干渉計の強結合系を構築することにより、太陽光に含まれる可視から近赤外領域の光を高効率（高量子収率）で光電変換できることを実験的に明らかにしてきた。この光電変換プロセスではプラズモン共鳴による光吸収増強効果を利用しているが、共鳴を強めてプラズモン場の増強度を上げるとスペクトル線幅は細くなり、逆に共鳴スペクトルをブロードにすると緩和時間が短くなって共鳴ピークは低くなる。高効率の太陽エネルギー変換を目指すためには、局在プラズモン場の増強度の向上と共鳴スペクトルの広帯域化を同時に実現する金属ナノ構造体の設計が要求される。これまでの研究では、プラズモニック構造体として金ナノディスクの周期配列構造を用い、ディスク径や周期の条件出しを行なってきたが、本研究では、最高のエネルギー変換効率を実現する最適金属ナノ構造を設計・作製する。最適条件としては、光照射領域全体の平均強度を可視から近赤外領域に渡って積分した値を設定し、広い波長領域の計算が必要となるので時間領域差分法を用い電磁界シミュレーションの高速化を図る。
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