2015 Fiscal Year Annual Research Report
局在プラズモン角運動量制御による光ナノシェーピング
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26246028
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
笹木 敬司 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00183822)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光ナノシェーピング / プラズモン / 金属ナノ構造 / 光渦ビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、光の「大きさ」をナノサイズまで小さくするだけでなく、ナノスポットにおける光電場振幅・位相分布をシングルナノスケールで制御する、すなわち、光の「形」をナノ空間でコントロールする、新奇なナノプラズモニックシステムの創製に挑戦する。この光ナノシェーピングが実現できれば、分子・分子集合体の波動関数と光のナノ形状をマッチングさせることにより、禁制遷移の選択励起・許容遷移の完全抑制・均質媒質の第二高調波発生など、これまでの常識を打ち破る物質の光励起ダイナミクスや光反応プロセスが実現できる。金属２次元ナノギャップ構造体にラゲールガウス（ＬＧ）ビームを照射して多重極局在プラズモンを励振し、ＬＧモードの運動量（波数）・スピン角運動量（円偏光）・軌道角運動量（螺旋波面）を転写して多重極モードの近接場干渉を制御するという独自のアイデアにより、ナノスケールで電場振幅・位相分布を自在に成形する光ナノシェーピング技術を世界に先駆けて開発している。また、デザインされた周期に金属ナノ構造体を配列することにより、ＬＧビームを高効率にカップリングさせて多重極プラズモンを高Ｑ値で共鳴励振するシステムを開発し、超高効率光反応プロセスや超高感度センサーに展開している。さらに、角運動量を付与したＬＧもつれ合い局在プラズモンを生成して、古典光の限界を超える微細多光子重合パターン形成の実現を目指して研究を進めている。本研究は、これまでの常識を打ち破る光物理・光化学現象の誘起や光分子認識などへの展開が期待できると考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
単一の金属ナノギャップ構造とＬＧビームのカップリング効率は回折限界により制限される。カップリングを増強するために、金属ナノ構造体を多数個配列させてフォトニック結晶構造にし、キャビティ効果によりＱ値を向上するプラズモニック結晶の提案がある。しかし、ＬＧビームをプラズモニック結晶全体に照射すると、個々の金属構造体は位相が異なる円偏光で励振されるだけで渦構造の中心にないので、軌道角運動量を転写して多重極プラズモンモードを励振することは困難に見える。ところが、配列周期を共鳴条件に設定すると、個々の金属構造体のモードが強くカップリングするため、周期構造体全体でＬＧビームと結合して多数の多重極子が恊働的に共振する状態にできることを、我々は理論的に予測してきた。本年度は、開発したシミュレーション解析手法を用いて、金属ナノギャップ周期構造にＬＧビームを照射したときの３次元電磁界分布およびスペクトル特性を、配列構造（正方格子、六方格子）・周期・モード次数・ビームサイズを設定して解析し、Ｑ値・カップリング効率等を見積って最適な構造をデザインした。高分解微細加工技術により金ナノギャップ周期構造体を作製し、光ナノシェーピング制御システムを用いて周期ナノ構造体多重極プラズモンの共鳴励振を実現した。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度以降は、光ナノシェーピング制御システムにより、これまでの常識を打ち破る物質の光励起ダイナミクスや光反応プロセスを実現する。色素分子二量体に反対称な２つの双極子（四重極子）を励起することは、光の回折限界によりできない（禁制遷移）が、数ナノメートルの距離で位相が反転する光電場を形成できれば、許容遷移（対称な２つの双極子状態）を完全に抑制して禁制遷移だけを選択的に励起することが実現できる。すなわち、光が持つ軌道角運動量をプラズモンに転写し、さらに分子の電子軌道運動に高効率で転写することにより、自在に遷移ダイナミクスをコントロールですことができる。新規なシミュレーション手法を開発し、金属ナノ多量体構造のギャップに生成されたナノ光渦中に分子を配置したときの分子の多重極遷移プロセスについて、その励起効率や各多重極の励起割合等を詳細に解析する。また、ナノギャップ中の分子の位置や方位、金属ナノ構造の形状やギャップサイズ、更には構造の歪み等をパラメータとして、多重極遷移ダイナミクスのシミュレーション解析を行い、高効率光反応プロセスへの展開について検討する。
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| Remarks |
研究室HP
http://optsys.es.hokudai.ac.jp/
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Research Products
(19 results)
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[Presentation] Multipole resonances in plasmonic crystal2015
Author(s)
K. Sakai, K. Nomura, T. Yamamoto, T. Omura and K. Sasaki
Organizer
The 2nd Optical Manipulation Conference(OMC) '15
Place of Presentation
PACIFICO Yokohama(Yokohama, Kanagawa)
Year and Date
2015-04-22 – 2015-04-25
Int'l Joint Research
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