2014 Fiscal Year Research-status Report

室温・液体中光記録の検証:分子の光応答への緩和効果のナノ空間拘束による劇的抑制

Research Project

Project/Area Number	26600017
Research Institution	Japan Atomic Energy Agency
Principal Investigator	村上洋独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門量子ビーム応用研究センター, 研究職 (50291092)
Project Period (FY)	2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords	逆ミセル / ナノ空間拘束 / 光応答 / ホールバーニング分光 / 緩和過程 / 色素分子 / 電子状態
Outline of Annual Research Achievements	室温かつ液体中であるにも関わらず、ナノメートルスケールの空間拘束により分子の光応答など量子過程の緩和を劇的に抑制できると考えている。本研究の目的はその可能性の検証である。逆ミセルは、油溶媒中で界面活性剤分子の会合により作られた球状の殻の中に水を含む。その空間スケールは試料調製によりナノメートルにできる。さらに、その微小水の中には水溶性分子を溶かすことができる。申請者は、最近、逆ミセル中において室温で色素分子の周りの水分子がガラス的状態になり、また、格子緩和エネルギーの減少を示す結果を得た。これは、色素分子が受ける緩和がナノ空間拘束により抑制されることを意味する。そこで、逆ミセル中色素分子に対して、永続的ホールバーニングの検証実験を行い、分子の光応答への緩和抑制に及ぼすガラス的状態と格子緩和減少の効果を明らかにする。これは室温・液体中光情報記録の検証である。現在使用されているすべての情報記録素子は固体であり、液体状態で実現された例はない。本年度は、永続的ホールバーニング検証実験のための装置の構築を実施した。まず、白色光源とCCD付き分光器を用い、可視域透過分光システムを構築した。ここで、ダブルビーム方式にすることにより、スペクトルの長時間測定時に問題となる白色光のスペクトルの揺らぎ補正を実現した。また、ホールスペクトル生成用ポンプレーザー光源の調整作業を実施し、試料照射のための光学系の構築を行った。微量液体試料セルのためにガラスキャピラリーセルを用い、ホールバーニング分光の準備実験を行った。ベースラインスペクトル評価により、光学系の最適化を行うと共に、評価用試料を用いてホールバーニング分光を行い、適正な信号スペクトルが得られることを確認した。上記の結果により、次年度以降の詳細な実験の基盤を整えることができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason （１）定常的ホールバーニング分光測定システムの構築の完了：白色光源とCCD付き分光器を用い、可視域透過分光システムを構築した。スペクトルの長時間測定時に問題となる白色光のスペクトルの揺らぎ補正を行うため、ダブルビーム方式にした。透過分光用の白色光以外の光を除去するために、分光器への白色光導入には光ファイバーを用いた。ホールスペクトル生成用ポンプ光源のために、既設の可視波長領域の連続発振とパルス発振レーザーの調整作業を実施した。試料照射のための光学系の構築を行った。（２）試料セルの選定～ガラスキャピラリーセルの適用：ホールバーニング分光では、光情報記録のために照射したレーザー光領域内の分子を白色光でプローブ分光する。そこで、白色光のスポットサイズはレーザー光のスポットサイズより小さくする必要がある。また、レーザー光照射領域より試料が大きいと液体中の拡散過程のためにプローブ試料領域の状態変化に起因したスペクトル歪みが起こる。それを防ぐために、レーザー光照射領域より試料を小さくする必要がある。そこで、微小試料の保持が可能な市販の円筒形ガラスキャピラリーをセルとして採用し、それに合わせて光学系の再構築を行った。ここで、キャピラリーセルを保持するためのホルダーの構築も実施した。（３）ホールバーニング分光の準備実験の実施：準備実験では、主にベースラインスペクトルの評価を行い、光学系の最適化を実施した。その結果、±0.005以内のベースラインを得ることができた。そして、デモ用試料を用いて定常的ホールバーニング分光を行い、適正な信号スペクトルが得られることを確認した。上記の結果により、次年度以降の詳細な実験の基盤を整えることができた。
Strategy for Future Research Activity	今後は以下のように推進する。（１）ホールバーニング条件のスクリーニング及び室温永続的ホールバーニングの検証：室温で逆ミセル内がガラス的になっているW=2或いは3程度の逆ミセルを対象に、ホールバーニング分光測定を行い、ホールバーニングが起こる条件のスクリーニングを行う。具体的には、ポンプ光強度、波長及び照射時間等の依存性測定を行う。緩和を示す溶液中色素では過渡的ホールバーニングが起きることが知られている。過去の色素溶液の過渡的ホールバーニング分光の実験条件を踏まえてスクリーニングを行う。ポンプ光照射後ホールスペクトルの時間変化を数時間(通常この程度ホールスペクトルが変化しなければ永続的と呼ばれる)に渡って測定し、永続的ホールバーニングの検証をする。（２）ホールスペクトル特性の詳細測定とナノ拘束効果・ホールバーニング機構の解明：　永続的ホールバーニング分光の逆ミセルサイズ依存性測定を行う。スペクトル形状の逆ミセルサイズ依存性を調べ、スペクトルへの緩和抑制効果を明らかにする。同時に、永続的ホールバーニングが起こらなくなる逆ミセルの閾値サイズを調べる。さらに、ホールスペクトル形状のポンプ光照射強度依存性や室温以上で温度変化測定することにより、ホールバーニング機構やその信号消去の機構を調べる。一方で、色素高分子膜を対象に測定を行い、ホールスペクトル形状に及ぼす振動自由度の効果を調べる。また、過渡的ホールバーニング分光を実施し、ホールバーニングが過渡的から永続的になる時の緩和過程の特徴を調べ、ホールバーニング機構の解明をさらに進める。（３）多波長光記憶素子の可能性研究：ポンプ光の波長を変えて、ホールバーニング分光を行い、吸収スペクトル内に、区別できるホールスペクトルをどれくらい密に作れるか、つまり、どのくらいの記録密度を実現できるかを調べる。記録密度の逆ミセルサイズ依存性も調べる。
Causes of Carryover	実験装置（試料温度制御及びセル装置など）の開発を次年度に移行したため
Expenditure Plan for Carryover Budget	実験装置（試料温度制御及びセル装置など）の開発等に使用する。