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マイクロ粒子の光捕捉ポテンシャル解析を活用したナノ物質への光圧測定法の開発

公募研究

研究領域光圧によるナノ物質操作と秩序の創生
研究課題/領域番号 17H05462
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関東京大学

研究代表者

田中 嘉人  東京大学, 生産技術研究所, 助教 (50533733)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
2018年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2017年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
キーワード光圧 / 光ピンセット / 微弱力計測 / アクティブフィードバック / ナノ材料 / ナノマシン / 微小共振器 / 局在プラズモン共鳴
研究実績の概要

本研究は、ナノ物質に働く光圧のポテンシャル解析における問題点(1. 短い光捕捉時間、2. 微弱なプローブ信号)を解決するために、マイクロ粒子を対象とした光捕捉ポテンシャル解析を活用することにより、ナノ物質に作用するフェムトニュートンオーダーの光圧を精密測定する手法を世界に先駆けて開発するものである。
本年度は、昨年度に開発した光駆動マイクロマシンによるナノ物質に働く光圧計測法を発展させ、さらなる力感度向上させるため、アクティブフィードバックによる光捕捉ポテンシャル制御法を開発した。具体的には、ポテンシャル深さが数kTになる低い光強度でマイクロプラットフォーム(MPF)を捕捉し、低いバネ定数(高い力検出感度)のポテンシャルを形成した。次に、CMOSカメラで撮像したMPFの位置をマルチスレッド処理によりリアルタイムに高速解析し、設定した捕捉領域から外れる場合に、電気光学素子(EOM)で光強度を上げてMPFに働く捕捉力を一時的に増大し、捕捉領域に戻すというフィードバックを行った。このようなMPFが感じる光場を高速に制御するシステムを開発し、従来法では難しかった高い力感度と長時間捕捉(高SN比)を併せ持つ捕捉ポテンシャルを実現し、原理的には10fN程度の力計測が可能であることが見積もられた。また、このフィードバックによるポテンシャル形状の制御を有限差分法でシミュレーションし、実験結果から光圧を正確に解析する方法を検討した。さらに、本手法の光圧計測における有効性を示すために、従来法では難しかったナノロッドに働く光トルクの定量計測を行った。現在のことろ、ナノロッドを中心に配置したMPFの光捕捉ポテンシャル計測に成功し、170pNnm/mradのバネ定数で30pNnm以上の分解能が得られることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (6件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (2件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Soft trapping lasts longer: Dwell time of a Brownian particle varied by potential shape2019

    • 著者名/発表者名
      Itsuo Hanasaki, Takahiro Nemoto, and Yoshito Y. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 99 号: 2 ページ: 022119-022119

    • DOI

      10.1103/physreve.99.022119

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Plasmonic Diffractive Hybrid Sensors Based on a Gold Nanoprism Array2018

    • 著者名/発表者名
      Kazutaka Akiyoshi, Yoshito Y. Tanaka* , Takuya Ishida, Tsutomu Shimura, and Tetsu Tatsuma*
    • 雑誌名

      CS Appl. Nano Mater.

      巻: 1 号: 11 ページ: 5994-5999

    • DOI

      10.1021/acsanm.8b01829

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Tridirectional polarization routing of light by a single triangular plasmonic nanoparticle2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshito Y. Tanaka*, Tsutomu Shimura
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 17 号: 5 ページ: 3165-3170

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.7b00672

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Launching and control of graphene plasmon by nanoridge structures2018

    • 著者名/発表者名
      Sanpon Vantasin, Yoshito Y. Tanaka*, Tsutomu Shimura
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 5 号: 3 ページ: 1050-1057

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.7b01341

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 局在プラズモン制御による超解像光マニピュレーション2018

    • 著者名/発表者名
      田中嘉人
    • 学会等名
      応用物理学会量子エレクトロニクス研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 局在プラズモン共鳴にあるナノ構造と光の新奇な力学的相互作用2018

    • 著者名/発表者名
      田中嘉人
    • 学会等名
      分子研研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2019-12-27  

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