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2018 年度 実績報告書

走査トンネル顕微鏡で拓く微小極限の光科学

研究課題

研究課題/領域番号 18H05257
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

金 有洙  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (50373296)

研究分担者 今田 裕  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (80586917)
数間 恵弥子  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 研究員 (50633864)
山本 駿玄  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 基礎科学特別研究員 (50802782)
研究期間 (年度) 2018-06-11 – 2023-03-31
キーワード近接場光 / 走査トンネル顕微鏡 / 単一分子 / エネルギー移動・変換 / 表面
研究実績の概要

研究項目①~④の各実績の概要は以下の通りである。
研究項目①:単一分子光スイッチの計測法として、近接場光が誘起する分子の構造変化に伴うトンネル電流の変化を捉える。そこで、フタロシアニン分子の可逆的異性化反応を観測し、分子の可逆変化に伴う電流変化を捉え、計測が技術的に可能であることを示した。
研究項目②:本項目でターゲットとしている分子間エネルギー移動は励起状態の寿命が長いほど効率良く生じまた時間追跡が容易になると期待される。そのため、励起状態寿命の直接計測や制御が重要な基盤技術となると考えられる。これまでの研究成果として、励起状態寿命の長いスピン三重項励起状態の選択的形成の実現(K. Kimura et al., Nature 2019)および、単一分子の励起状態寿命の見積もりと寿命制御法の開発を行った(H. Imada et al. in preparation)。
研究項目③:これまでは、単一のレーザーを用いた予備的な実験と二つのレーザーを同期させるシステムの構築を行ってきた。単一のレーザーを用いた実験では、赤外分光と相補的な情報を与えるラマン散乱分光を単一分子で実現した。これまで未解明だった近接場光の単一分子によるラマン散乱過程の詳細を解明し、世界に先駆けて選択則を記述することに成功した(R. Jaculbia et al., Nature Nanotechnology 2020)。
研究項目④:円偏光を生じる局在プラズモンが探針直下近傍に存在することで、光が外部から照射される場合に、探針直下で一方の円偏光が増強及び局所化され得る。そこで、スピン偏極STM探針に関してプラズモンの発光分光測定を行い、偏極率が70%に達する円偏光モードが生じることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究項目①~④の各進捗状況は以下の通りである。
研究項目①:単一分子光スイッチの計測法をフォトクロミック分子に適用することを目指しているが、2019年度の途中で近接場光の生成に不可欠な銀探針の作製が不可能な状況に陥った。このため、研究計画の一部を変更し、当初の研究計画の延期さらには代替材料での探針開発に取り組んでいる。
研究項目②:研究提案時には、スピン一重項励起状態の寿命は数100 ps程度であるという先行研究の報告に基づき時間分解計測を計画したが、我々の研究結果は数psの寿命を示唆している。これにより当初の計画通りの実験手法では時間分解能が不足する恐れが生じた。この問題を解決するために、スピン選択則に守られ寿命の長いスピン三重項励起状態の活用を当初の研究計画に加え、目標が達成できるように計画を修正し研究を進めている。
研究項目③:単一のレーザーを用いた予備的なラマン分光実験に関しては、ラマン分光が、本項目で開発する赤外分光に対して非常に良い比較対象データを与えると期待される。二台のレーザーを同期させるシステムの構築は新型コロナウイルス拡散の影響によりレーザーの納品に数か月の遅れが生じている。
研究項目④:本項目の目的は、光誘起磁場をプラズモンにより局所化し、それに伴う局所磁化反転を観測することにある。現在までに、局所磁化を観測可能とするスピン偏極STM探針を用い、ナノ磁性体の詳細な磁気構造を明らかにしている。さらに、この探針におけるプラズモン発光分光測定から、光磁場を局所化する上でカギとなる円偏光モードの存在を明らかにした。

今後の研究の推進方策

研究項目①:2019年度に引き続き、紫外から青色のエネルギー領域に共鳴し近接場光を生じる探針の作製条件の最適化を行う。単一分子光スイッチの計測手法を、ジアリルエテンなどのフォトクロミック分子に適用し、最適化を行った探針を用いて単一分子光スイッチの詳細な検討を行い、単一分子レベルでの高速on/off光スイッチの実現を目指す。
研究項目②:本年度からは従来通り一重項励起状態を起点とする分子間エネルギー移動の実験を行うだけではなく、より寿命が長くエネルギー移動効率の高くかつ時間追跡が容易であると期待される三重項励起状態を起点とする実験も追加し、二つの実験を並行して進めて行く。
研究項目③:2019年度にレーザーを導入し同期して動作する2台のpsパルスレーザーシステムが完成し、これにより、2つの異なる周波数のレーザーパルスを同時にSTM探針に照射することが可能となる予定であった。しかしながら、新型コロナウイルス拡散の影響によりレーザーの納品に数か月の遅れが生じている。レーザーが納品され次第2020年度から本格的にこのシステムを運用し、差周波発生や和周波発生、高調波発生などの近接場で生じる非線形光学現象を探索する。
研究項目④:局所光磁場印加の実現には、1.プラズモン共鳴モードを持つスピン偏極STMの開発およびSTM探針の探索、2.光誘起磁場で磁化反転するナノ磁性体(試料)、及び、3.光誘起磁場による磁化反転(光照射)が必要となる。現在までに、バルク磁性体探針が開発でき、1及び2がほぼ完了したため、今後は光照射による磁化反転を目指す。

  • 研究成果

    (48件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 4件、 査読あり 8件) 学会発表 (33件) (うち国際学会 15件、 招待講演 16件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS
  • [国際共同研究] University of Illinois Chicago(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Illinois Chicago
  • [国際共同研究] University of Ulsan(韓国)

    • 国名
      韓国
    • 外国機関名
      University of Ulsan
  • [雑誌論文] Single-molecule resonance Raman effect in a plasmonic nanocavity2020

    • 著者名/発表者名
      Jaculbia Rafael B.、Imada Hiroshi、Miwa Kuniyuki、Iwasa Takeshi、Takenaka Masato、Yang Bo、Kazuma Emiko、Hayazawa Norihiko、Taketsugu Tetsuya、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      Nature Nanotechnology

      巻: 15 ページ: 105~110

    • DOI

      10.1038/s41565-019-0614-8

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Self-Assembly Growth of an Upright Molecular Precursor with a Rigid Framework2019

    • 著者名/発表者名
      Chaunchaiyakul Songpol、Zhang Chi、Imada Hiroshi、Kazuma Emiko、Ishiwari Fumitaka、Shoji Yoshiaki、Fukushima Takanori、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 123 ページ: 31272~31278

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.9b09948

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Atomic‐Scale Visualization of the Stepwise Metal‐Mediated Dehalogenative Cycloaddition Reaction Pathways: Competition between Radicals and Organometallic Intermediates2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Chi、Kazuma Emiko、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 58 ページ: 17736~17744

    • DOI

      10.1002/anie.201909111

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Scanning probe microscopy for real-space observations of local chemical reactions induced by a localized surface plasmon2019

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Emiko、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 21 ページ: 19720~19731

    • DOI

      10.1039/C9CP02100K

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Selective triplet exciton formation in a single molecule2019

    • 著者名/発表者名
      Kimura Kensuke、Miwa Kuniyuki、Imada Hiroshi、Imai-Imada Miyabi、Kawahara Shota、Takeya Jun、Kawai Maki、Galperin Michael、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 570 ページ: 210~213

    • DOI

      10.1038/s41586-019-1284-2

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Many-Body State Description of Single-Molecule Electroluminescence Driven by a Scanning Tunneling Microscope2019

    • 著者名/発表者名
      Miwa Kuniyuki、Imada Hiroshi、Imai-Imada Miyabi、Kimura Kensuke、Galperin Michael、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 19 ページ: 2803~2811

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.8b04484

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Mechanistic Studies of Plasmon Chemistry on Metal Catalysts2019

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Emiko、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 58 ページ: 4800~4808

    • DOI

      10.1002/anie.201811234

    • 査読あり
  • [雑誌論文] On‐Surface Evolution of meso ‐Isomerism in Two‐Dimensional Supramolecular Assemblies2019

    • 著者名/発表者名
      Park Juyeon、Kim Ju‐Hyung、Bak Sunmi、Tahara Kazukuni、Jung Jaehoon、Kawai Maki、Tobe Yoshito、Kim Yousoo
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 58 ページ: 9611~9618

    • DOI

      10.1002/anie.201904290

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Nanoscale analysis and control of chemical reactions induced by Iocalized surface plasmon2020

    • 著者名/発表者名
      數間恵弥子
    • 学会等名
      日本化学会第100春季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Single molecule tip-enhanced Resonance Raman spectroscopy in low temperature environments2019

    • 著者名/発表者名
      R. B. Jaculbia, H. Imada, K. Miwa, T. Iwasa, M. Takenaka, B. Yang, E. Kazuma, N. Hayazawa, T. Taketsugu, Y. Kim
    • 学会等名
      Philippine-Japan Conference on Photonics and Optical materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmon-exciton coupling at an STM junction: fundamental and applications for spatially-resolved single-molecule spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      H. Imada
    • 学会等名
      27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Visualization of exciton creation and annihilation in a single molecule2019

    • 著者名/発表者名
      M. Imai-Imada, H. Imada, K. Kimura, K. Miwa, J. Takeya, Y. Kim
    • 学会等名
      27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
    • 国際学会
  • [学会発表] Nonplanar stereochiral intermolecular interactions between upright molecular precursors2019

    • 著者名/発表者名
      S. Chaunchaiyakul, H. Imada, E. Kazuma, F. Ishiwari, Y. Shoji, T. Fukushima, Y. Kim
    • 学会等名
      27th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM27)
    • 国際学会
  • [学会発表] STM study of exciton creation and annihilation in a single molecule2019

    • 著者名/発表者名
      H. Imada
    • 学会等名
      The 81st Okazaki Conference "Forefront of Measurement Technologies for Surface Chemistry and Physics in Real-Space, k-Space, and Real-Time"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single molecule study of plasmon-induced chemical reactions2019

    • 著者名/発表者名
      E. Kazuma
    • 学会等名
      The 81st Okazaki Conference "Forefront of Measurement Technologies for Surface Chemistry and Physics in Real-Space, k-Space, and Real-Time"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Creation of spin singlet and triplet excitons in a single molecule2019

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, K. Miwa, H. Imada, M. Imai-Imada, Y. Kim
    • 学会等名
      International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics (ISNTT2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] STM investigations of plasmon-induced single molecule reaction2019

    • 著者名/発表者名
      E. Kazuma
    • 学会等名
      IBS-RIKEN Joint Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Atomic-scale study of exciton creation and annihilation in a molecular system2019

    • 著者名/発表者名
      H. Imada
    • 学会等名
      IBS-RIKEN Joint Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of selective triplet exciton formation in a molecule with an STM2019

    • 著者名/発表者名
      K. Kimura, K. Miwa, H. Imada, M. Imai-Imada, S. Kawahara, J. Takeya, M. Kawai, M. Galperin, Y. Kim
    • 学会等名
      704.WE-Heraeus-Seminar "Exploring the Limits of Nanoscience with Scanning Probe Methods"
    • 国際学会
  • [学会発表] Single-molecule optical spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kim
    • 学会等名
      704.WE-Heraeus-Seminar "Exploring the Limits of Nanoscience with Scanning Probe Methods"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-molecule chemistry and spectroscopy with a photon STM2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kim
    • 学会等名
      The Seventh RIKEN-NCTU Symposium on Physical and Chemical Sciences
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-molecule chemistry and spectroscopy at surfaces2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kim
    • 学会等名
      2019 RIKEN-NCHU Joint Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Vibrationally resolved imaging of a single molecule using tip-enhanced Resonance Raman spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      R. Jaculbia, H. Imada, K. Miwa, B. Yang, E. Kazuma, N. Hayazawa, Y. Kim
    • 学会等名
      10th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy (ICAVS10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Single-molecule chemistry and spectroscopy by near-field light2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kim
    • 学会等名
      Annual Meeting of the Physical Society of Taiwan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 単一分子におけるエネルギー移動・変換・散逸の実空間計測と制御2019

    • 著者名/発表者名
      金有洙
    • 学会等名
      第58回玉城嘉十郎教授記念 公開学術講演会 -界面を考える-
    • 招待講演
  • [学会発表] Atomic-scale visualization of the stepwise metal-mediated dehalogenative cycloaddition reaction pathways2019

    • 著者名/発表者名
      C. Zhang, E. Kazuma, Y. Kim
    • 学会等名
      第13回 表面・界面スペクトロスコピー 2019
    • 招待講演
  • [学会発表] STM発光分光法を用いた選択的な三重項励起子形成の単一分子計測2019

    • 著者名/発表者名
      木村謙介, 三輪邦之, 今田裕, 今井みやび, 河原祥太, 竹谷純一, 川合眞紀, マイケル ガルペリン, 金有洙
    • 学会等名
      第48回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 光STMを用いた単一分子分光2019

    • 著者名/発表者名
      今田裕, 三輪邦之, 今井みやび, 河原祥太, 木村謙介, 金有洙
    • 学会等名
      2019年日本表面真空学会学術講演会
  • [学会発表] 走査トンネル顕微鏡を用いた単一分子の蛍光分光2019

    • 著者名/発表者名
      今田裕, 今井みやび, 木村謙介, 三輪邦之, 金有洙
    • 学会等名
      第31回分子科学討論会
  • [学会発表] STM発光分光法を用いた選択的な三重項励起子形成の単一分子計測2019

    • 著者名/発表者名
      木村謙介, 三輪邦之, 今田裕, 今井みやび, 河原祥太, 竹谷純一, 川合眞紀, マイケル ガルペリン, 金有洙
    • 学会等名
      2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Vibrational symmetry of a single molecule revealed by tip-enhanced Raman spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      R. B. Jaculbia, H. Iamda, K. Miwa, T. Iwasa, M. Takenaka, B. Yang, E. Kazuma, N. Hayazawa, T. Taketsugu, Y. Kim
    • 学会等名
      2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] スピン偏極STM発光分光法を用いた原子精度でのスピン注入と磁気二色性の観測2019

    • 著者名/発表者名
      山本駿玄, 今田裕, 金有洙
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] 単一分子接合系における光電変換に関する理論解析2019

    • 著者名/発表者名
      三輪邦之, 今田裕, 木村謙介, 今井みやび, 金有洙, M. Galperin
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] 走査型トンネル顕微鏡による単一分子化学反応の解析2019

    • 著者名/発表者名
      數間惠弥子
    • 学会等名
      分子研研究会「単分子有機化学の挑戦」
    • 招待講演
  • [学会発表] 走査トンネル顕微鏡を用いた三重項励起子形成の単一分子計測2019

    • 著者名/発表者名
      金有洙
    • 学会等名
      日本化学会第99春季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] スピン偏極STM発光分光法を用いた原子精度でのスピン注入と磁気二色性の観測2019

    • 著者名/発表者名
      山本駿玄, 今田裕, 金有洙
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] 走査トンネル顕微鏡を用いた発光/吸収分光の開発と応用2019

    • 著者名/発表者名
      今田裕
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 多体状態を基底とした単一分子の光電変換に関する理論解析2019

    • 著者名/発表者名
      三輪邦之, 今田裕, 木村謙介, 今井みやび, 金有洙, Michael Galperin
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] STMを用いた単一分子内での選択的な三重項励起子形成2019

    • 著者名/発表者名
      木村謙介, 今田裕, 三輪邦之, 今井みやび, 河原祥太, 竹谷純一, 川合眞紀, 金有洙
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] STM発光分光法を用いた単一分子での励起子生成・消滅過程の可視化2019

    • 著者名/発表者名
      今井みやび, 今田裕, 木村謙介, 三輪邦之, 竹谷純一, 金有洙
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] 近接場光と単一分子の相互作用の原子スケール解析:単一分子の光マニピュレーションに向けて2019

    • 著者名/発表者名
      今田裕
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [備考] ナノの光による単一酸素分子の分解

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2020/20200323_1/index.html

  • [備考] 単一分子による共鳴ラマン散乱の可視化に成功

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2020/20200217_1/index.html

  • [備考] 有機ELの新たな発光機構を発見

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2019/20190606_1/

  • [備考] 単一分子電界発光の機構解明

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2019/20190301_1/

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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