2015 Fiscal Year Research-status Report
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26400420
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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) |
金本 理奈 明治大学, 理工学部, 准教授 (00382028)
小田島 仁司 明治大学, 理工学部, 教授 (50233557)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱放射 / 微粒子 / 光トラップ / 共振器ＱＥＤ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
白熱球などマクロな物体からの熱放射は、Planckの放射法則でよく記述できる。しかし、この法則が波長程度やそれ以下の発光体にも適用できるかどうかは自明ではない。物体が小さくなるにつれて熱放射のスペクトルはどのように変化するのか？これは物質と電磁波の相互作用に関わる基本的な問題であるが、微粒子を熱的に孤立させるのが困難なことから、実験による検証が行われてこなかった。そこで本研究では、光や交流電場により微粒子を空間捕捉するトラップ技術を用いて高温発光体を空中に静止させ、その熱放射スペクトルを観測する。放射体のサイズ・形状や物性が電磁波の放射過程にどのように関わってくるのか、これまで未踏であったミクロンおよびサブミクロン領域での熱放射のシナリオを解明することが、本研究の目的である。
2015年度は以下の成果を得た。
(1) 球形共振器の各モードに分配されるエネルギーをレート方程式から求め、放射スペクトルを計算したところ、誘電体微粒子の観測結果を忠実に再現するスペクトルを得た。これにより、高温液滴の光学定数を精密に決定する新しい方法論を提案することができる。
(2) 熱放射における共振器効果を確認するために、誘電体多層膜ミラーからの熱放射を観測した。両面コートによりファブリペロー共振器を構成すると、共振した周波数では放射率が増強され、分解できないものの離散的な放射スペクトルが現れることがわかった。
(3) 金属ナノ粒子の熱放射スペクトルを観測する新しい方法として、ステンドガラス粉末を試料とした光トラップ法を考案した。炭酸ガスレーザーによるアブレーションで粉末微粒子を高温化し、ガラス媒質中に分散した金ナノ粒子の表面プラズモン共鳴に起因すると思われる熱放射スペクトルを観測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度からの懸案であった誘電体微粒子の中赤外域のスペクトル計測のためには、既存の分光計では検出感度が不足しており、新たに分光装置を開発する必要があった。2015年度は回転可変フィルターと赤外光ファイバーを備え、検出感度と取り回し性に優れた分光計を製作したが、実際にスペクトルを観測するには至らず、若干の遅れが出ている。
一方、金属ナノ粒子を対象とした研究は、当初イオントラップによる空間捕捉を計画していたが、ナノ粒子がガラス媒質中に分散した試料（ステンドグラス）を用いると、非常に簡便に熱放射スペクトルを計測できることに思い至ったため、今年度は予定通りにデータを取得できると期待する。
理論面では、微粒子を微小共振器とみなす理論モデルの導入により、熱放射過程の理解は格段に進んだ。誘電体の赤外スペクトルや金属ナノ粒子のデータが集積すれば、モデルの有効性をさらに検証することができるだろう。
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| Strategy for Future Research Activity |
2016年度は製作した赤外分光計を用いて、誘電体微粒子の中赤外域のスペクトル計測から遮断波長の存在を確認する。トラップ光軸上に検出器を配置する新たなセットアップを採用し、赤外放射の検出効率を向上させる予定である。
ステンドグラスによる金ナノ粒子の熱放射に関しては、バルク試料からの放射のみならず、光トラップで捕捉した球形液滴からのスペクトルを観測する。液滴固有の電磁場の共振モードと表面プラズモンのカップリングにより、どのような熱放射スペクトルが現れるかが興味深い。このような共振器QED的な見地からは、さらにルビーやサファイアなど不純物イオンを含む微小液滴におけるスペクトル観測を行い、原子の固有状態と電磁場モードの相互作用を検証していく。
一方、微粒子の熱放射の力学効果について海外の研究者から興味深い問題提起がなされている。通常、天体現象などで熱放射の力学効果を考えるときは、放射圧による斥力のみを問題とする。しかし、微小な放射体の近距離では勾配力によって引力が働く可能性がある。当初の計画にはなかったが、光トラップされた高温微粒子の周りに熱放射によってどのような力学場が発生するか、引き続き我々の実験系で検証するための手段を検討したい。
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| Causes of Carryover |
赤外分光計の製作において、検出器部分は既存の半導体検出器を流用したため、予算に余剰部分が発生した。一方、共振器QED効果を確認するために、誘電体多層膜ミラーからの熱放射実験を新たに行ったため、当初計画にない支出が発生した。大まかには繰り越し分は、これらの収支によるものである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
主として、誘電体微粒子の赤外分光実験および金属ナノ粒子の可視スペクトル解析のための消耗品に支出する。
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