光走査トンネル顕微鏡による単一原子結晶成長のためのマニピュレ-タの実現

1991 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03452089
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 大津 元一 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (70114858)
• 研究分担者: 中川 賢一 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助手 (90217670)
• キーワード: 顕微鏡 / 光ファイバ / エッチング / レ-ザ / エバネッセント光 / ドプラ・シフト / 螢光 / スペクトル

研究概要

光走査トンネル顕微鏡用の先鋭化された光ファイバ・プロ-ブを製作し、これをマニピュレ-タとして用いた。ここでは溶液組成、温度、などを最適化した化学エッチングにより先鋭化し、先鋭角21度、先端曲率半径10nm以内のきわめて良好な光ファイバ・プロ-ブを実現した。この光ファイバ・プロ-ブを用いて単一原子を捕獲するための理論解析を行った。この計算では光ファイバ・プロ-ブへの入射レ-ザ光パワ-を10mWと仮定した。その結果、光ファイバ・プロ-ブ軸方向にはエバネッセント光のもつ勾配力と原子の熱運動による遠心力により原子捕獲のポテンシャルの谷が形成されること、さらに軸と直角方向にはエバネッセント光のもつ大きな波数の起因するドプラ-シフトを利用したレ-ザ冷却およびエバネッセント光のもつ勾配力によりポテンシャルの谷が形成されることが判明した。すなわち、原子はエバネッセント光の中に安定に捕獲される。ポテンシャルの深さを原子の熱運動等価温度で表すと0.7mKであることがわかった。これは光糖蜜法により十分実現可能な予備冷却温度である。捕獲した原子はレ-ザ周波数を原子共鳴周波数より高周波側にシフトさせれば加熱・加速され冷却結晶基板の上に固定できることがわかった。この理論解析結果をもとに光糖蜜の手法を用いてルビジウム原子の予備冷却を行った。その結果、冷却効果を表す蛍光スペクトル幅の狭化が観測された。ピエゾアクチュエ-タを用いた装置を製作し、マニピュレ-タ用の光ファイバ・プロ-ブを再現性よく微動するシステムを実現した。さらにファブリ・ペロ-共振器形プロ-ブの基礎実験を行い、共振周波数が物体の形状によって変化することを確認した。以上の結果により本研究を次年度も継続することにより当初の目標が達成できる見通しを得た。

研究成果

• [文献書誌] S.Jiang,N.Tomita,H.Ohsawa,and M.Ohtsu: "A Photon Scanning Tunneling Microscope Using an AlGaAs Laser" Japanese Journal of Applied Physics. 30. 2107-2111 (1991)
• [文献書誌] 大津 元一,〓 曙東,大澤 日佐雄: "フォトン走査トンネル顕微鏡" レ-ザ-研究. 19. 839-848 (1991)
• [文献書誌] 大津 元一: "光による原子運動の制御" 精密工学会誌. 58. (1992)
• [文献書誌] 大津 元一: "光STMによる極微細加工技術" 金属. 62. (1992)
• [文献書誌] 大津 元一: "原子を操る「フォトンSTM」" エレクトロニクス. (1992)
• [文献書誌] S.Jiang,H.Ohsawa,K.Yamada,P.Togar,M.Ohtsu,K.Imai,and A.Ikai: "Nanometric Scale Bioーsample Observation using a Photon Scanning Tunneling Microscope" Japanese Journal of Applied Physics.