2022 Fiscal Year Research-status Report

タンパク質における非平衡ボース凝縮の観測と光機能発現の根本原理における役割の解明

Research Project

Project/Area Number	22K18269
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	松永隆佑東京大学, 物性研究所, 准教授 (50615309)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	井上圭一東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
Project Period (FY)	2022-06-30 – 2026-03-31
Keywords	テラヘルツ分光 / タンパク質
Outline of Annual Research Achievements	タンパク質に外部からエネルギーを与えて非平衡状態にすると集団振動モードが最低エネルギー準位に集中し、ある種のボースアインシュタイン凝縮が発現することが半世紀前に理論的に予測された。これはフレーリッヒ凝縮と呼ばれ、長らく実験的な検証がなされていなかったが、テラヘルツ帯において鋭い線幅を持つ吸収ピークとして観測できる可能性が指摘されている。本研究では、光励起したタンパク質に対して広帯域・高分解能の高速テラヘルツ分光を行うことで、フレーリッヒ凝縮の存在を立証してその観測方法を確立し、凝縮ダイナミクスを計測することを目指す。そのために今年度は広帯域・高分解能かつ高速にテラヘルツ分光を行うことのできる非同期サンプリング時間領域分光システムを開発した。この手法は繰り返し周波数が僅かに異なる二つのフェムト秒パルスレーザーを使い、機械的遅延制御を必要とせずにテラヘルツ時間領域分光の時間軸上での遅延時間操作を高速に行う手法である。ただしフェムト秒パルスレーザーの繰り返し周波数が時間の経過とともにずれるため、このジッターを抑えて精密に固定するためのフィードバック制御とそのための高価な実験機器が必要になる。そこで本研究では、フィードバック制御を一切行わず、繰り返し周波数が時間変化するフリーラン状態のパルスレーザーを用いて非同期サンプリングを実現するためのジッター補正法を開発した。自作のYb系ファイバーレーザー２台を用いて、テラヘルツパルスのデータとともに繰り返し周波数差の１４倍の周波数のAC信号を補正用信号として取得し、ジッターを補正してから積算することで、1THzを超える帯域でも信号強度を落とすことなく積算を実現し、100MHz程度の分解能を持つ広帯域・高分解能実験システムを開発した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究に必要な広帯域・高分解能かつ高速のテラヘルツ分光を今まで以上に簡便なシステムで実現する手法を開発することに成功するなど、順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	昨年度に開発した手法により、フィードバック制御なしで簡便にテラヘルツ非同期サンプリングを行うことが可能になった。ただしデータ取得後に補正プログラムを走らせる上で処理時間が必要になるほか、今後ポンププローブ分光と組み合わせるためには波長800nmで発振する市販のチタンサファイアレーザー及び再生増幅器と組み合わせて非同期サンプリングを実現させることが望ましい。そこで今年度は市販のフリーランニングチタンサファイアレーザーを使った非同期サンプリングテラヘルツ分光を実現する。高速のデータ取得および解析のために補正方法を見直すほか、繰返し周波数差がより大きい実験システムに改良して高速の非同期サンプリングシステムを実現する。さらにタンパク質溶液に対して光励起しながら高分解能テラヘルツ分光を進める。予備実験においてはCWレーザーによる励起によって励起スポットの試料温度が上昇し、タンパク質が不均一に空間分布する問題が生じた。励起レーザーをパルス化するほか試料の担持方法を改善して温度上昇を抑制し、光励起後のテラヘルツ分光を実現する。