Creation of Optical Forces: Developing new manipulation methods utilizing the resonant linear and nonlinear optical responses of matter systems
| Project Area | Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces |
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| Project/Area Number | 16H06505 |
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
岡本 裕巳 分子科学研究所, メゾスコピック計測研究センター, 教授 (20185482)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊都 将司 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (10372632)
庄司 暁 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20437370)
芦田 昌明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60240818)
熊倉 光孝 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (30324601)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Project Status |
Granted(Fiscal Year 2018)
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| Budget Amount *help |
¥225,810,000 (Direct Cost : ¥173,700,000、Indirect Cost : ¥52,110,000)
Fiscal Year 2018 : ¥44,590,000 (Direct Cost : ¥34,300,000、Indirect Cost : ¥10,290,000)
Fiscal Year 2017 : ¥45,500,000 (Direct Cost : ¥35,000,000、Indirect Cost : ¥10,500,000)
Fiscal Year 2016 : ¥54,730,000 (Direct Cost : ¥42,100,000、Indirect Cost : ¥12,630,000)
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| Keywords | 光ピンセット / 光物性 / 非線形光学効果 / 物質操作 / 光トラッピング / 光散乱力 / 半導体量子ドット / カーボンナノチューブ / フォトクロミック分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
操作対象物質の共鳴・非線形光学効果を利用した操作の自由度の拡張を目的として，下記のような研究を展開した。
常温液中で非線形・共鳴・偏光の効果，操作対象物の状態を定量的に調べ，新たな操作様式を開拓するため，高速ビデオカメラを装備した光捕捉実験系，物質の光化学反応を誘起する光源を備えた実験系，捕捉した粒子のラマン散乱を観測するための実験系等を構築し，その試験を開始するとともに，既に新たな実験結果も得られた。例えば，捕捉物質の光化学反応により光学応答を光で変調させることによる光圧スイッチングの実現を目指した研究では，フォトクロミック分子を含む高分子微粒子試料において，勾配力による光捕捉にある微粒子を，光化学反応誘起光（紫外光）の照射に伴って，トラップ光の光軸方向に50 nm ～ 2 μm 程度移動させることに成功した。
低温超流動液中及び気相の実験でも，非線形共鳴マニピュレーションのための超短パルスレーザーの整備等を進めたほか，CdSeナノ粒子（量子ドット）の単一粒子分光や超伝導微粒子の選択的磁気トラップと光マニピュレーションに成功した。またCdSe/ZnS半導体量子ドットに対して気相中の光マニピュレーションに向け，噴霧器を用いた量子ドット溶液の液滴生成を行い，窒素気体中への量子ドットの分散・孤立化を試みた。
また共同研究[B]における結晶等階層構造創製に寄与する計測法の一つとして，円偏光二色性顕微鏡の開発とその技術向上を行った。
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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
常温液中実験，低温実験ともに，共鳴・非線形光捕捉の定量的な解析と新たな光圧様式創出のための実験システム，単層カーボンナノチューブを同定・定量・経時変化追跡するためのラマン分光システム，気相中への量子ドット分散のための液滴導入とその分光のための装置等，新規実験のための装置の構築は着実に進行している。
フォトクロミック分子を含んだ高分子微粒子では紫外光による光化学反応に伴い粒子をトラップ光の光軸方向に移動させることに成功し，光圧スイッチングの基本的なコンセプトを実証しており，また超伝導粒子の選択的トラップを行うなど，新しい成果も既に出始めている。捕捉・操作の対象とするナノ微粒子の分光特性の解明についても，班内・班間共同研究が進展しつつある。次年度以降の，より高度な非線形・共鳴・偏光の効果を生かした光圧実験に向けた基礎ができつつある状況であり，概ね順調に推移していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
対象物質の共鳴・非線形光学効果，偏光特性等をより積極的に利用し，光圧によるナノ物質操作の自由度を拡張していくため，計画研究A02の各研究グループで進めている実験配置の確立，精緻化を進めるとともに，それぞれに必要な超短パルス光，複数の波長・入射方向の光照射の導入等を進める。非線形光捕捉や各研究グループの特徴的な光圧操作法，評価手法等の技術は本計画研究内で共有して共同研究を進める。常温液相の実験では，共鳴・非線形捕捉における捕捉ポテンシャルを実測する実験，キラルナノ微粒子の円偏光捕捉，超解像光捕捉の可能性を追求する。多色・多方向光照射トラップでは，対向レーザー光とそれに直交したレーザー光の同時照射による光トラップ実験と選択的物体輸送を試みる。カーボンナノチューブに対して光スポットによる捕捉，ガラスキャピラリー流路内の選択的な光圧駆動を行い，他の微粒子にも適用する。低温液体中・気相実験では，気相中に孤立する量子ドットを多数生成する技術を確立し，その液滴を光捕捉して単一液滴，単一量子ドットの連続測定を試みる。複数ビームを用いた線形及び非線形光マニピュレーションについて，詳細な実験計画を立案し，実施する。プロトタイプとなる微粒子試料は計画研究A03，A04に協力を要請して入手し，各種実験環境における耐久性を確認する。
これらの研究で得た光捕捉技術は，班間共同研究[A]や[C]において特定の光学特性を持つ微粒子を選択的に特定の位置に集めたり配置するための技術として用いる。また関連する光特性計測技術（励起状態ダイナミクス，キラリティ顕微分光など）も，班間共同研究[A]や[B]において有効に用いる。また，計画研究A01とは光圧操作の理論的検討，力計測技術での協力要請，計画研究A03とはプラズモン場やキラル光電場の利用，計画研究A04とはキラル構造生成等の場面で協力し，共同研究を活性化する。
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Report
(1results)
Research Products
(76results)
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[Journal Article] One-colour control of activation, excitation and deactivation of a fluorescent diarylethene derivative in super-resolution microscopy2017
Author(s)
Yuhei Arai, Syoji Ito, Hajime Fujita, Yusuke Yoneda, Takahiro Kaji, Satoshi Takei, Ryota Kashihara, Masakazu Morimoto, Masahiro Irie, Hiroshi Miyasaka
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Journal Title
Chemical Communications
Volume : 53
Pages : 4066-4069
DOI
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[Journal Article] Effects of c/a Anisotropy and Local Crystal Structure on Superconductivity in AFe2(As1-xPx)2 (A = Ba1-ySry, Sr1-yCay and Eu)2016
Author(s)
Toru Adachi, Yusuke Nakamatsu, Tatsuya Kobayashi, Shigeki Miyasaka, Setsuko Tajima, Masayoshi Ichimiya, Masaaki Ashida, Hajime Sagayama, Hironori Nakao, Reiji Kumai, and Youichi Murakami
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume : 85
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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[Journal Article] Correlative near-infrared light and cathodoluminescence microscopy using Y2O3:Ln, Yb (Ln = Tm, Er) nanophosphors for multi-scale, multi-colour bioimaging2016
Author(s)
Fukushima, S., Furukawa, T., Niioka, H., Ichimiya, M., Sannomiya, T., Tanaka, N., Onoshima, D., Yukawa, H., Baba, Y., Miyake, J., Ashida, M., Araki, T., and Hashimoto, M.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume : 6
Pages : 25950-25950
DOI
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Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] ジピロリルジケトンフッ化ホウ素錯体の溶媒蒸発結晶化過程における多形発現と相安定性2017
Author(s)
岡 愛巳, 伊藤 冬樹, 坂東 勇哉, 羽毛田 洋平, 山門 陵平, 前田 大光, 宮野 哲也, 藤内 謙光, 伊都 将司, 宮坂 博, 尾関 寿美男
Organizer
日本化学会第97春季年会
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慶応義塾大学（神奈川県横浜市）
Year and Date
2017-03-16
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[Presentation] Photo-switching of Radiation Force in Optical Trapping by Means of Photochromic Reaction2016
Author(s)
Morio Mitsuishi, Kenji Setoura, Syoji Ito, Hiroshi Miyasaka, Masakazu Morimoto, Masahiro Irie
Organizer
The 20th SANKEN International, The 15th SANKEN Natotechnology Symposium, 4th KANSAI Nanoscience and Nanotechnology, 12th Handai Nanoscience and Nanotechnology International Symposium
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Knowledge Capital Congres Convention Center (Osaka, Osaka)
Year and Date
2016-12-13
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樫原 遼太, 森本 正和, 武藤 克也, 小林 洋一, 阿部 二朗, 五月女 光, 伊都 将司, 宮坂 博, 入江 正浩
Organizer
2016年光化学討論会
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東京大学 駒場第一キャンパス,（東京都目黒区）
Year and Date
2016-09-08
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