2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of novel optical manipulation systems based on the design of environment and luminescence
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21H05019
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
石原 一 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60273611)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋田 成司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60202529)
芦田 昌明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60240818)
余越 伸彦 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90409681)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | 光マニピュレーション / ナノダイヤ / オプトメカニクス / 発光 / 誘導放出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度、芦田グループは最も困難と考えられる極低温環境における光圧実験の確立に重点を置いた。超流動ヘリウム中におけるレーザーアブレーションで作製した単一ZnOマイクロ粒子を対象とし、単レンズ1枚の簡便な光学系で光トラップすることに初めて成功した。また、対象としているナノダイヤモンド中のNV中心に加えて、ゼロフォノン線の相対強度が桁違いに強いSiV中心の光学特性を明らかとした。その結果、今後の実験で使用できる目処が立った。
秋田グループは低温で発光および機械的共振測定が可能な測定系（新規購入クライオスタット）の準備を行ってきた。発光と薄膜の機械振動の結合を実現するために有機無機層状ペロブスカイト薄膜をSi3N4膜機械共振器上への塗布条件を探索しその発光特性を調べ、最適条件を見出した。また、単光子源となるhBN－グラフェン複合膜による機械共振器についても検討した。さらに、SU8（透明フォトレジスト）で構成した光導波路による光導入法について検討した。
理論グループは光共振器上に架橋させたペロブスカイト薄膜の発光により誘起される自発的運動の可能性について理論的に調べてきた。特に、今年度は膜が固有の振動数を持つ場合に、実際の膜振動が光圧によるポテンシャルと膜固有のポテンシャルの関係から決まることを明らかにした。さらに、誘導反跳力によるpulling forceについて４準位モデルを用いて詳細に調べ、吸収飽和が抑制される分、通常の散乱力、吸収力に比べ桁違いに強い力が働く可能性を明らかにした。また分散粒子の超蛍光による光圧について定式化を行った。これにより任意の周辺環境に対し、超蛍光を起こす粒子の運動を実時間で計算することが可能になった。また導波路や共振器中では実効的な光子密度が増加するため、超蛍光の理論に誘導放出などの非線形光学応答を取り入れた。さらに無限遠の導波路の系への適用を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、実験グループは主に装置の立ち上げが中心であったが、それ以外にも超流動ヘリウム中での光トラップに成功するなど、想定以上の成果があった。またゼロフォノン線の相対強度が桁違いに強いSiV中心の光学特性が明らかとなったことは今後の実験推進に対して大きく貢献する結果である。理論においても、散粒子の超蛍光による光圧について定式化できたことは想定外の成果であり、実験支援のみならず、本分野の理論研究としての大きな進展である。以上の事から本年度は計画以上に進展したと評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本計画の重要なターゲットとしていたナノダイヤモンド中のNV中心は他の発光ナノ材料に比べて卓越した耐久性を示すことが知られていたが、芦田グループが、より優れた光学特性を示すSiV中心を入手して分光実験を手がけたことから、主要な対象に加えることとする。また、その光学スペクトルには不均一広がりが見られることから、その除去を伴う光圧実験も重要な課題と認識した。次年度は、この新規材料も加えて、誘導放射による光マニピュレーションのデモンストレーションを試みる。
秋田グループでは、理論グループにより計算された最適構造の実現へ向け、基板上に蒸着した金属膜と機械共振器の間で光キャビティ構造を最適化する。低温光機械共振測定系により熱擾乱を抑えた環境で発光特性および機械共振の高精度測定を行う。また、静的機械歪下の発光スペクトルを芦田グループが予め測定した分光データを基に解析する。光導入方法を検討し励起光が振動を誘起しないようにして発光を誘起し、発光と薄膜の機械振動の結合を観測する。
理論グループではペロブスカイト膜を共振器状においた場合の発光光圧において、秋田グループが作製する実験系により適した現実的なモデルに置き換えたモデルでの計算を行う。また芦田グループの実験サポートとしてSiV中心を対象とした光圧計算を行う。さらに新規に導入するクラスタエレメントを利用し、具体的な周辺環境を想定した超蛍光光圧を数値的に計算する。初めに単純な金属ナノ構造周辺のモデル粒子について、集団運動の指向性発現のための条件を洗い出す。このテーマについては芦田グループと協力し、ペロブスカイトナノ粒子の超蛍光光圧を実現するため、シード光や周辺環境をデザインする。
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