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2019 年度 実績報告書

光圧を極める:分子操作の極限化と光制御によるマクロ化

計画研究

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 16H06506
研究機関北海道大学

研究代表者

笹木 敬司  北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00183822)

研究分担者 村越 敬  北海道大学, 理学研究院, 教授 (40241301)
森田 隆二  北海道大学, 工学研究院, 教授 (30222350)
深港 豪  熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (80380583)
研究期間 (年度) 2016-06-30 – 2021-03-31
キーワード光ナノマニピュレーション / プラズモニックトラッピング / ナノ光渦 / 単一分子操作
研究実績の概要

分子や分子集団に働く光圧の強さや方向をナノメートル空間の各点毎に自在に制御することにより、如何に小さい物質を如何に高い精度で光マニピュレーションできるかという極限性能の追究を目指している。具体的な研究課題としては、1)単一分子レベル光操作:ナノサイズの光局在場により室温・媒質中において分子を個別選択的に捕捉・操作し、配置・配向・配列を制御する技術の開発、2)ナノ空間の光圧デザイン:光電場の振幅・位相・偏光をシングルナノメートルスケールで成形する手法を開発し、分子・分子集合体の形状選別トラッピングやナノ光渦による分子の回転運動(分子渦)・キラル構造形成等の実現、3)光操作システムのマクロ化:基板の大面積化・集積化や多様な光圧制御技術による光ナノ物質操作のマクロ化に挑戦している。今年度は、1)ナノファイバーによるナノ粒子選別輸送と光圧スペクトロスコピーに関する実験実証と、ナノダイヤモンドに作用する共鳴吸収力・散乱力や光圧測定精度の定量的な解析を実施した。また、2)デザインした金属ナノ構造体によるナノ空間角運動量制御により、ダイヤモンドナノ粒子をナノ空間で回転運動を誘起する実験に成功するとともに、超解像イメージング技術を応用展開して、ナノメートルの精度でナノ粒子の運動を可視化する技術を開発した。さらに3)分子ナノ粒子のプラズモニックギャップ捕捉・配置・配列およびキラル分子集合体ナノ粒子の高感度円二色性分光法を開発した。

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

1)ナノファイバーによるナノ粒子選別輸送と光圧スペクトロスコピー:ナノ粒子個々の量子力学的特性が光圧を介してマクロな運動として現れることを利用して、ナノ粒子の特性による選別・分離・輸送を実現した。ナノファイバーを用いた回折限界対向ビーム光学系により高精度に共鳴吸収力を検出し、ナノダイヤモンドの窒素空孔中心の有無による光圧選別実験に成功した。今年度は特に、ナノダイヤモンドに作用する共鳴吸収力・散乱力について定量的に解析し、サブフェムトニュートーンオーダーの極めて高い光圧測定精度が実現できていることを実証した。また、単一ナノ粒子の吸収断面積を定量計測する新概念の光圧スペクトロスコピーを実験実証し、超高感度分光法としての有効性を示した。
2)デザインした金属ナノ構造体によるナノ空間角運動量制御とナノ回転操作:昨年度に開発した3次元光ナノ成形制御システムと、電子線描画装置を用いたリソグラフィー技術により作製した金多量体ナノギャップ構造を用いて、ダイヤモンドナノ粒子をナノ空間で回転運動を誘起する実験に成功した。また、超解像イメージング技術を応用展開して、ナノメートルの精度でナノ粒子の運動を可視化する技術を開発し、光ナノ渦軌道回転運動を明確に解析するとともに、理論解析の研究グループと共同でナノ光渦場のスピン・軌道角運動量がナノ粒子に転写する現象を理論解明することができた。
3)分子ナノ粒子のプラズモニックギャップ捕捉・配置・配列:金属ナノ構造体の局在プラズモン場の光圧により数十nmサイズの蛍光分子集合体粒子を強力に捕捉して構造体ギャップ部に配置・固定する技術を開発し、キラル分子集合体ナノ粒子の高感度円二色性分光を実現した。

今後の研究の推進方策

ナノファイバーを用いた共鳴吸収選別輸送・光圧スペクトロスコピーシステムを高度化し、中空ガラス管に熱をかけて延伸したナノキャピラリーを用いて10 nmより小さい粒子の光選択輸送および吸収断面積解析を実現するとともに、単一分子に作用する光圧の定量解析にも挑戦する。また、ナノ光局在場のスピン・軌道角運動量転写現象を用いて、ナノ物質の秩序構造の制御、具体的には、光圧キラル結晶のエナンチオ制御について共同研究を推進する。さらに、分子吸着状態にある金属ナノ構造の散乱スペクトル計測、励起波長に依存したラマン散乱強度変化によってスペクトル計測を行い、光圧を発生させる系の光吸収特性を実験的に検証するとともに、金属表面に吸着した分子系についての分子軌道計算から界面準位励起の分極率を理論的に見積もり、実験結果との整合性から単一分子トラッピングを実証する。

  • 研究成果

    (45件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (17件) (うち国際共著 8件、 査読あり 17件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 26件、 招待講演 13件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Localized ZnO Growth on a Gold Nanoantenna by Plasmon-Assisted Hydrothermal Synthesis2020

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Hideki、Suzuki Tatsuro、Pin Christophe、Sasaki Keiji
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 20 ページ: 389~394

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.9b04073

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optical Transport and Sorting of Fluorescent Nanodiamonds inside a Tapered Glass Capillary: Optical Sorting of Nanomaterials at the Femtonewton Scale2020

    • 著者名/発表者名
      Pin Christophe、Otsuka Ryohei、Sasaki Keiji
    • 雑誌名

      ACS Applied Nano Materials

      巻: 3 ページ: 4127~4134

    • DOI

      10.1021/acsanm.0c00274

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optical transport of fluorescent diamond particles inside a tapered capillary2019

    • 著者名/発表者名
      Pin Christophe、Otsuka Ryohei、Fujiwara Hideki、Sasaki Keiji
    • 雑誌名

      EPJ Web of Conferences

      巻: 215 ページ: 16002~16002

    • DOI

      10.1051/epjconf/201921516002

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optical trapping of nanoparticles using dimer and trimer plasmonic nanogap antennas2019

    • 著者名/発表者名
      Pin Christophe、Takahashi Genta、 Fujikawa Seiya、Sudo Kota、Fukaminato Stuyoshi、Sasaki Keiji
    • 雑誌名

      Proc. SPIE

      巻: 11141 ページ: 84~86

    • DOI

      10.1117/12.2535563.full

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optical propulsion of fluorescent diamonds inside a tapered capillary2019

    • 著者名/発表者名
      Pin Christophe、Otsuka Ryohei、Fujiwara Hideki、Sasaki Keiji
    • 雑誌名

      Proc. SPIE

      巻: 11141 ページ: 46~48

    • DOI

      10.1117/12.2535563.full

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Revealing High Oxygen Evolution Catalytic Activity of Fluorine-Doped Carbon in Alkaline Media2019

    • 著者名/発表者名
      Kim Jeheon、Fukushima Tomohiro、Zhou Ruifeng、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 12 ページ: 211~211

    • DOI

      10.3390/ma12020211

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] In-situ observation of isotopic hydrogen evolution reactions using electrochemical mass spectroscopy to evaluate surface morphological effect2019

    • 著者名/発表者名
      Minamimoto Hiro、Osaka Ryo、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      Electrochimica Acta

      巻: 304 ページ: 87~93

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2019.02.088

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Determination of Molecular Orientation in Bi-analyte Mono-molecule Layer through Electrochemical Surface-enhanced Raman Scattering Measurements2019

    • 著者名/発表者名
      Oyamada Nobuaki、Minamimoto Hiro、Wakisaka Yumi、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 48 ページ: 820~823

    • DOI

      10.1246/cl.190282

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photoelectrochemical Formation of Polysulfide at PbS QD-Sensitized Plasmonic Electrodes2019

    • 著者名/発表者名
      Li Xiaowei、McNaughter Paul D.、O’Brien Paul、Minamimoto Hiro、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 10 ページ: 5357~5363

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.9b02045

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Nonzero Wavevector Excitation of Graphene by Localized Surface Plasmons2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Jinjiang、Zhou Ruifeng、Minamimoto Hiro、Yasuda Satoshi、Murakoshi Kei
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 19 ページ: 7887~7894

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.9b02947

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Modulation of Graphene/Au(111) Interaction by Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction2019

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima,Kensuke Yasuda,Hidetaka Hasebe,Ruifeng Zhou,Hiro Minamimoto,Kei Murakoshi
    • 雑誌名

      J. Phys. Conference Series

      巻: - ページ: 012016 (1-4)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A New Twist for Materials Science: The Formation of Chiral Structures Using the Angular Momentum of Light2019

    • 著者名/発表者名
      Omatsu Takashige、Miyamoto Katsuhiko、Toyoda Kohei、Morita Ryuji、Arita Yoshihiko、Dholakia Kishan
    • 雑誌名

      Advanced Optical Materials

      巻: 7 ページ: 1801672~1801672

    • DOI

      10.1002/adom.201801672

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Comprehensive quantitative analysis of vector beam states based on vector field reconstruction2019

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Masato、Yamane Keisaku、Oka Kazuhiko、Toda Yasunori、Morita Ryuji
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 9979/1-14

    • DOI

      10.1038/s41598-019-46390-7

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Fluorescence modulation and non-destructive fluorescence readout based on the cooperative orientation of a fluorescent dye in an azobenzene liquid crystalline polymer film2019

    • 著者名/発表者名
      Fukaminato Tsuyoshi、Kato Tomoe、Kim Sunnam、Kurihara Seiji
    • 雑誌名

      Proc. SPIE - Molecular Nano Machines II

      巻: - ページ: 1109806

    • DOI

      10.1117/12.2531352

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multi-color fluorescence photoswitching in fluorescence diarylethene nanoparticles2019

    • 著者名/発表者名
      Ishida Sanae、Kim Sunnam、Kurihara Seiji、Fukaminato Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Proc. SPIE - Molecular Nano Machines II

      巻: - ページ: 110980R

    • DOI

      10.1117/12.2531350

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reversible ON/OFF switching of photoluminescence from CsPbX3 quantum dots coated with silica using photochromic diarylethene2019

    • 著者名/発表者名
      Akaishi Yuji、Pramata Azzah Dyah、Tominaga Shuhei、Kawashima Shimpei、Fukaminato Tuyoshi、Kida Tetsuya
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 55 ページ: 8060~8063

    • DOI

      10.1039/c9cc03797g

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Efficient “turn-off” fluorescence photoswitching in a highly fluorescent diarylethene single crystal2019

    • 著者名/発表者名
      Ishida Sanae、Kitagawa Daichi、Kobatake Seiya、Kim Sunnam、Kurihara Seiji、Fukaminato Tuyoshi
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 55 ページ: 5681~5684

    • DOI

      10.1039/c9cc02441g

    • 査読あり
  • [学会発表] Linear and Angular Momentum Transfer In Nano- Scale Fields2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki
    • 学会等名
      The International Symposium on Plasmonics and Nanophotonics (iSPN2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical manipulation based on linear and angular momenta of nanogap plasmon2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki
    • 学会等名
      SPIE Photonics Asia: Plasmonics IV
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nano-Sized Whispering-Gallery-Mode Plasmonic Cavities2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki
    • 学会等名
      The International Workshop on Ultrafast Micro/Nano Photonics and Photochemistry
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Poynting Vector Analysis of Multipolar Plasmonic Fields2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki
    • 学会等名
      SPIE Optics + Photonics, Plasmonics: Design, Materials, Fabrication, Characterization, and Applications XVII
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Rotational Manipulation of Nanoparticles Using Plasmonic Nano-Vortex Fields2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki
    • 学会等名
      SPIE Optics + Photonics Optical Trapping and Optical Micromanipulation XVI
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Interference of Multipolar Lattice Resonances in Plasmonic Crystal Excited by Structured Light2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Selective Trapping and Transport of Nanoparticles using Optical Forces2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sasaki
    • 学会等名
      The 7th International Symposium on Organic and InorganicMaterials and Related Nanotechnologies (EM-NANO2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmonically-Powered Electronic Excitation in Nano-Materials2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Murakoshi
    • 学会等名
      The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics (iSPN2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Control of the Selection Rule at Plasmonic Electronic Excitation2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Murakoshi
    • 学会等名
      100th Anniversary of NCHU: the Symposium on Plasmonic Nanotechnology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmonically-Powered Electronic Excitation in Nano-Materials2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Murakoshi
    • 学会等名
      2019 The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Exotic Non-Zero Wavevector Electronic Excitation by Localized Surface Plasmon2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Murakoshi
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Exotic Electronic Excitation of a Single-Layer Graphene By Surface Localized Plasmons Under Electrochemical Potential Control2019

    • 著者名/発表者名
      Jinjiang Zhang, Ruifeng Zhou, Hiro Minamimoto, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      235th ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electrochemical Tuning of Plasmoinc Surface Lattice Resonance2019

    • 著者名/発表者名
      Hiro Minamimoto, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrochemically controlled strong coupling system using surface lattice resonance2019

    • 著者名/発表者名
      Hiro Minamimoto, Shunpei Oikawa, Takahiro Hayashi, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics (iSPN2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Arbitrary Tuning of the Isotopic Hydrogen Evolution Reactions2019

    • 著者名/発表者名
      Hiro Minamimoto, Ryo Osaka Kei Murakoshi
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrogen Evolution Reaction Catalyzed By Plasmoinic Photo-Electrodes Under Visible Light Illumination2019

    • 著者名/発表者名
      Hiro Minamimoto, Daiki Sato, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      235th ECS Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Isotopic Hydrogen Evolution Reactions Driven by Plasmon-Induced Charge Transfer2019

    • 著者名/発表者名
      Hiro Minamimoto, Daiki Sato, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Raman Imaging of Plasmonic Ag Nanostructure for Site-Dependent Molecular Trapping Analysis2019

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Akira Miyauchi, Nobuaki Oyamada, Shunpei Oikawa, Kei Murakoshi
    • 学会等名
      The 6th Optical Manipulation Conference 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Plasmonic Metal Nanostructure Enables Photo-Modulation of Proton Transport2019

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Fukushima, Motohiro Sai, Kei Murakosh
    • 学会等名
      The 29th International Conference on Photochemistry
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of resolution in orbital angular momentum decomposition based on beam duplication by using a Sagnac interferometer2019

    • 著者名/発表者名
      K. Yamane, Y. Watanabe, K. Oka, Y. Toda, R. Morita
    • 学会等名
      CLEO (Conference on Lasers and Electro-Optics)/Europe-EQEC (European Quantum Electronics Conference) 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of high-efficiency beam converter for ultrafast spatio-temporal control of light waves2019

    • 著者名/発表者名
      K. Yamane, K. Iwasa, R. Sasaki, K. Oka, Y. Toda, R. Morita
    • 学会等名
      CLEO (Conference on Lasers and Electro-Optics)/Europe-EQEC (European Quantum Electronics Conference) 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Efficient generation of intense spatio-temporally controlled light waves2019

    • 著者名/発表者名
      K. Yamane, K. Iwasa, R. Sasaki, K. Oka, Y. Toda, R. Morita
    • 学会等名
      6th Optical Manipulation and Structured Materials Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 超高感度な蛍光スイッチング特性を有する蛍光性フォトクロミック分子材料の開発2019

    • 著者名/発表者名
      深港 豪
    • 学会等名
      2019年度高分子・ハイブリッド材料研究センター(PHyM)若手フォーラム
    • 招待講演
  • [学会発表] Efficient fluorescence photoswitching in photochromic nanoparticles and single crystals2019

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Fukaminato, Sanae Ishida, Daichi Kitagawa, Seiya Kobatake, Remi Metivier
    • 学会等名
      9th International Symposium on Photochromism (ISOP 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Visible-light photochromism of a perylenebisimide-diarylethene dyad2019

    • 著者名/発表者名
      Issei Ikariko, Kenji Higashiguchi, Takashi Hirose, Hikaru Sotome, Sunnam Kim, Kenji Matsuda, Hiroshi Miyasaka, Seiji Kurihara, Tsuyoshi Fukaminato
    • 学会等名
      9th International Symposium on Photochromism (ISOP 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Reversible fluorescence photoswitching based on the cooperative orientation in a dye-doped liquid crystalline azobenzene polymer2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoe Kato, Sunnam Kim, Seiji Kurihara, Tsuyoshi Fukaminato
    • 学会等名
      9th International Symposium on Photochromism (ISOP 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Fluorescence modulation with photochromic-fluorescent nanosystems2019

    • 著者名/発表者名
      Nicolas Fabre, Tsuyoshi Fukaminato, Katsuya Mutoh, Jiro Abe, Remi Metivier
    • 学会等名
      9th International Symposium on Photochromism (ISOP 2019)
    • 国際学会
  • [産業財産権] 表示装置2019

    • 発明者名
      栗原清二、深港 豪、佐藤文紀、甲斐康朗、太田最実、前橋亮太
    • 権利者名
      栗原清二、深港 豪、佐藤文紀、甲斐康朗、太田最実、前橋亮太
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2019-146721

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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