| 研究課題/領域番号 |
22K18949
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
藤井 稔 神戸大学, 工学研究科, 教授 (00273798)
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| 研究分担者 |
杉本 泰 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (40793998)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2024年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | Mie共鳴 / シリコンナノ粒子 / メタフルイド / メタマテリアル / 円偏光 / 流体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
物質のサイズを電磁波（光）の波長よりも小さくすることにより発現する各種の共鳴現象を利用して光に対する応答を人工的に操作した疑似物質を「メタマテリアル」と呼ぶ．通常、メタマテリアルでは，構造ユニットである「メタ原子・分子」が周期的に配列している．一方，メタ原子・分子が液体に分散したものを「メタマテリアル流体（メタフルイド）」を呼び、これを用いた新しい液体光学素子実現の可能性が示唆されている．本研究では，可視光領域に低次のMie共鳴を有する結晶シリコンのナノ粒子を分散した溶液が電気的共鳴と同等レベルの磁気的共鳴を有することに着目し，そのフォトニクスメタフルイドとしての特性を明らかにする．
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| 研究実績の概要 |
本研究は，可視光領域に低次のMie共鳴を有する結晶シリコンのナノ粒子を分散した溶液が，電気的共鳴と同等レベルの磁気的共鳴を有することに着目し，シリコンナノ粒子分散溶液のフォトニクスメタフルイドとしての特性を明らかにすることを目的とする．また，その光学素子材料としての有用性を実証する．Mie共鳴は粒子のサイズに強く依存するため，粒子サイズに分布があるとメタフルイドとしての特性が劣化する．そのため，本研究の成功は，溶液中のシリコンナノ粒子のサイズ分布をいかに低減するかにかかっている． 2022年度はまず，単一シリコンナノ粒子と同等の共鳴特性を示す溶液を大量に生成するプロセスの開発を行った．独自に開発したプロセスの最適化を行った結果、基礎研究を行うのに十分な量のシリコンナノ粒子分散溶液を作製することが可能になった。
シリコンナノ粒子は電気双極子共鳴と磁気双極子共鳴を持つため，特定の条件において全散乱方向で入射光の円偏光が保持されることが理論的に示されている．これは、シリコンナノ粒子により円偏光近接場を増強できることを示しており、この現象は光学異性体を高効率に分離する新技術の開発につながる可能性がある。2022年度はまず、シリコンナノ粒子メタフルイドによる円偏光保存光散乱を実証することを目的に研究を行った。最初に、目的とする現象を実証するための実験について理論的な検証を行った。その結果、入射光の方向と直交する方向へ散乱される光の偏光を測定することにより、円偏光の保存の程度を評価できることが明らかになった。その結果を受けて測定光学系を構築し、シリコンナノ粒子メタフルイドの円偏光散乱特性の測定を行った。その結果、理論で予想された通りKerker条件を満たす波長において入射光の円偏光が保存されることを実証することに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ナノ粒子サイズの小さいシリコンナノ粒子メタフルイドを比較的大量に生成する技術を開発し、今後の研究をスムーズに展開する足がかりを構築した。さらに、シリコンナノ粒子メタフルイドの円偏光散乱特性について理論と実験の両面から詳細な研究を行い、得られた結果を論文にまとめた。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの検討により、シリコンナノ粒子メタフルイドの重要な応用の一つとして、円偏光近接場の増強による光学異性体の高効率分離が非常に有望であるとの感触を得ている。そのため、この方向の研究を重点的に行う。第一に、昨年度に執筆した論文を高インパクトファクター雑誌で発表するように努力する。その後、その研究をさらに発展させる。昨年度の段階では、円偏光保存光散乱の実証のために非常に粒子密度が低い溶液を用いて実験を行った。しかしながら、シリコンナノ粒子メタフルイドを光学異性体の分離に用いるためには高濃度の溶液が必要である。そのため、溶液濃度と円偏光保存度の関係を実験的に明らかにするとともに、高濃度でより高い円偏光保存度を有するメタフルイドの開発を行う。その研究と並行して、シリコンナノ粒子の円偏光ナノアンテナとしての応用の可能性を検討する。ナノ粒子ナノアンテナの電気双極子共鳴による光散乱と磁気双極子共鳴における光散乱の強度が等しくそれらの位相差が90度の場合、特定方向に円偏光が輻射される。この現象を用いると、非常に微小な円偏光放射ナノアンテナを実現できる可能性がある。シリコンナノ粒子メタフルイドにおいて、円偏光輻射の条件を実現する事が可能かどうかの理論的検証を行う。もし理論的に実現が可能である事が明らかになった場合は、その実証実験を実施する。
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