2011 Fiscal Year Research-status Report
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23540469
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
立川 真樹 明治大学, 理工学部, 教授 (60201612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉村 英恭 明治大学, 理工学部, 教授 (70281441)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2014-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス / 原子光学 / レーザー冷却 / 蛋白質 |
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| Research Abstract |
光で観測される反射・屈折・干渉などの光学現象を原子の物質波において実現する原子光学において、回折格子は最も基本的な素子の一つである。しかし、原子線のドブロイ波長は、レーザー冷却された低速原子線でもナノメートル程度であり、有意な回折角を得るためには、サブミクロン以下の格子定数が必要となる。そこで我々は、生体物質が自己組織化によって合成するナノ磁性粒子アレイに着目し、従来の超微細加工技術の限界を超えた精密な周期構造を実現する。磁性粒子配列が形成する周期的ゼーマンポテンシャルが、物質波に対して回折格子やフォトニック結晶として機能することを、レーザー冷却された原子線の散乱実験と理論解析から検証することが本研究の目的である。 23年度は、原子回折実験の準備として低速原子線源を製作した。磁気光学トラップを内蔵した原子供給領域と超高真空に排気された測定領域からなる新たな真空槽を製作し、レーザー冷却により極低温に冷却されたCs原子集団を光の放射圧で再加速することにより低速原子ビームを生成した。飛行時間法によって測定領域に出射した原子線の速度と温度を評価した結果、原子線のドブロイ波長は0.3 nm～0.8 nmで制御でき、熱的ドブロイ長は2 nm以上に保たれることが明らかになった。熱的ドブロイ長はドブロイ波長に比べ数倍以上の長さを保っており、今回生成された低速原子ビームは回折実験において有効であると考えられる。 一方、フェリチン蛋白質の自己組織化により酸化鉄（フェライト）粒子アレイを作成する試みにおいては、磁場勾配を利用する新たな方法により、鉄コアの充填率を従来の50％程度から95%以上まで向上させることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究計画は、原子回折格子の実験と周期場中の原子波伝搬の理論解析からなる。前者においては、磁気光学トラップにより生成した極低温Cs原子集団を重力または放射圧により加速して低速原子線を生成し、磁場を印加した2次元磁性粒子アレイに入射する。斥力ゼーマンポテンシャルに散乱された原子線の空間分布をイオン計数により高感度に検出し、フェリチン結晶が回折格子として機能することを検証する。 23年度当初の計画では、原子線源の設計製作に加え、散乱原子の検出系を整備する予定であった。回折格子は回転導入端子上に設置し、マイクロメータドライブによりその方位角度を精密に制御する。また、散乱された原子線を空間分解能よく高感度に観測するために、散乱方向にピンホールを配置し、その後方に表面イオン化用の白金線と2次電子増倍管を設置する必要がある。低速原子線の生成とその評価に時間がかかったため、23年度内にここまで進むことができなかった。一方、原子線をターゲットへ照射する際に磁場による偏向が問題となる可能性も顕在化した。検出系の設計は、後述のように理論解析によって原子線の軌道を見極めつつ、慎重に取り組むべき課題であると認識している。
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| Strategy for Future Research Activity |
24年度は、フェリチンにより生成した磁性粒子アレイによる原子線の散乱実験に着手するが、磁化に用いるネオジム磁石の磁場が原子線の軌道に及ぼす影響は注意すべきである。ナノ粒子アレイに散乱されるためには、原子はlow-field seeking stateにいなければならないが、この状態では原子線そのものがターゲットから斥力を受けることになる。もしこの効果が深刻な場合、多重極磁石により周辺の磁場を弱める、径方向に磁化した円筒磁石を使い偏向した原子線の先にターゲットを設置する、光ポンピングによりhigh-field seeking stateの原子をターゲットに衝突する直前でlow-field seeking stateにスイッチするなどの方針を検討し、詳細な軌道計算から最適なオプションを選択する。 理論解析では、磁性粒子列の上空に平行に入射した原子を想定し、原子波の伝搬特性を計算する。ポテンシャル分布から等価的な屈折率を計算し、Maxwell方程式を数値計算することにより原子波の振舞いを求める。2次元ゼーマンポテンシャルをモデル化した系に対して平面波展開法に基づくバンド解析を行い、バンドギャップが存在するかを明らかにする。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
23年度は当初の計画から遅れが生じたため、原子線検出系の整備に係る予算残が発生した。これを24年度に繰り越し、24年度支給額と合わせて原子線散乱実験におけるターゲットステージやイオン計数装置などのハードウェアに充当する。回転導入端子をはじめとする各種真空部品、チャンネルトロンなどが具体的な購入物品である。また、並行して行う数値解析において、ワークステーションのメモリー不足が深刻になる場合には、本予算において増設メモリーを購入する可能性がある。
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Research Products
(5 results)
