2023 Fiscal Year Final Research Report

Super-resolution fluorescence lifetime imaging microscopy using photon-photon and electron-photon correlations

Research Project

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Project/Area Number	21K18195
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	Sannomiya Takumi 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (60610152)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	石井あゆみ早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (70406833) 秋葉圭一郎国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所量子機能創製研究センター, 主幹研究員 (80712538)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2024-03-31
Keywords	カソードルミネセンス / 相関計測
Outline of Final Research Achievements	Due to the diffraction limit of light, fluorescence lifetime microscopy cannot not provide insights into features below 100 nm scales, which are crucial when investigating the functions at molecular or atomic levels. In this research, we established a microscopy technique that surpasses this limit by introducing a novel approach in electron microscopy: photon-photon correlation and electron-photon correlation measurements utilizing electron beam-excited luminescence (cathodoluminescence). This innovative method eliminates the need for pulsing the electron beam and enables the measurement of luminescence lifetime with the spatial resolution inherent to the electron probe. By conducting photon-photon correlation mapping and electron-photon correlation mapping, we successfully visualized the distribution of luminescent centers and defects in semiconductors, shedding light on their lifetime dynamics.
Free Research Field	電子顕微鏡
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本申請で開発する寿命イメージングは、自然放出される電子１つをパルスとして利用し、パルス電子銃を必要としないパッシブな計測で、発光寿命を検出系を組み込むだけで簡便に実現ができるため、広い汎用性を持つ。パルス電子銃を用いた従来の方法と異なり、電子光学系がそのままであるので、電子顕微鏡本来の分解能（光の2桁上）で発光イメージングができ、同時計測された試料内部の構造と直接比較可能である。さらに、本研究の手法では、発光のプロセスや相関の強度を表す重要なパラメタも同時に得られるため、学術的にも新奇な知見が得られている。