2014 Fiscal Year Annual Research Report
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24560059
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
武田 良彦 独立行政法人物質・材料研究機構, 量子ビームユニット, グループリーダー (90354357)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 金属ナノ粒子 / 非線形光学 / 3次光学感受率 / フェムト秒ポンププローブ分光 / 分光エリプソメトリー / プラズモニクス / フォトニックスイッチ / 光双安定性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、光制御による単一ナノ粒子の光スイッチングを実現することである。金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴とナノ粒子自身に内在する3次の光学非線形性を利用することにより、局所電場(ナノ粒子の内部電場)を変調し、光双安定性機能を発現させる。その実現には、まず非線形光学定数である３次光学感受率の波長分散特性の定量的計測評価、局所電場の非線形光学効果による変調に関する解析評価が必要である。
評価に用いたAgナノ粒子試料は負イオン注入法により石英ガラス基板中に作製した。粒子径は注入イオン量により3-16 nmの範囲で制御した。ナノ粒子は、基板表面に層厚40nmで2次元的に分布している。非線形光学応答はフェムト秒レーザーパルスによるポンププローブ分光と分光エリプソメトリーにより計測解析評価を行った。
ナノ粒子材料においては、マクロな有効非線形光学特性は、局所電場効果を介して現れる。本研究では、Maxwell-Garnett近似による解析によりAgナノ粒子自身の3次光学感受率の波長分散特性の評価に成功した。その絶対値は粒子径に非常に大きく依存し、粒子径15 nmで極小を示し、粒子径減少とともに大きく増大する。粒子径15 nm以下では、量子サイズ効果により発現した離散的な準位間の遷移がその絶対値、波長分散の光学応答において支配的になっていることを明らかとした。
さらに励起光強度（ナノ粒子に印加される外部電場）依存性より、ナノ粒子内の局所電場強度が上記の評価結果である3次の光学非線形性により、その強度のみならず波長分散も変調することを実験的に明らかとした。この解析結果により、従来のz-scan法による単一波長での様々な測定結果に関して、おおむね統一的な見解を与えることに成功した。
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