| 研究課題/領域番号 |
18KK0387
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
蓑輪 陽介 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50609691)
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| 研究期間 (年度) |
2019 – 2021
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| キーワード | イオントラップ / 光トラップ / オプトメカニクス |
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| 研究実績の概要 |
英国ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのPeter Barker教授のもとでの滞在研究の結果を踏まえ、昨年度に引き続き、以下の3つの方向での研究を行った。
1. ナノメートルあるいはマイクロメートルサイズの微小球を、光によって捕捉・浮遊させる。
2. 帯電したナノメートルあるいはマイクロメートルサイズの微小球を、 直流・交流電場によって捕捉・浮遊させる。
3. 捕捉・浮遊した状態のナノメートルあるいはマイクロメートルサイズの微小球の運動状態を測定する。
1については、前年度までの研究で、捕捉・浮遊したマイクロメートルサイズの微小球と、照射する光との共鳴的な相互作用が、微小球の運動を不安定化する可能性が明らかになった。そこで、この相互作用の詳細を明らかにすることを目指した。まず、狭線幅かつ波長可変なレーザーを用いて、波長掃引しながらマイクロメートルサイズの微小球に光照射することで、光散乱を通じて共鳴構造を明らかにした。特にレーザー光の集光位置を最適化することで、プリズムやテーパー光ファイバーなどのデバイスを用いずに高効率に自由空間光を微小球に結合することに成功した。光散乱によって見積もられた共鳴構造は、Mie散乱に基づく計算とよく一致することがわかった。
また、2に関しては、微粒子の高真空中での捕捉・浮遊に成功した。最後に3に関しては、捕捉・浮遊した状態にある微小球の重心運動の状態を測定するための手法開発を行った。リアルタイム性と精度および改造の容易さを両立するために、マイクロコントローラを基盤とするプログラマブルなシステムの構築を試みた。汎用のCMOSカメラからの信号を高速に処理し、位置検出を行う手法を実装した。特に、リアルタイムに粒子の位置情報を出力し、運動制御のために利用可能であることを実証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
新型コロナCOVID-19の感染状況悪化のために、本年度に計画していた渡英をキャンセルせざるを得なくなった。メールおよびビデオ会議によって共同研究者である英国ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのPeter Barker教授との密なコミュニケーションは取れているが、「研究実績の概要」記載の事項1に関しては、渡英ができないため、一部の実験系が利用できない状態で実験を進めることになったため、研究の進展に遅れが生じた。幸い、現有の実験装置を利用することで、一定の進展が見られた。狭線幅かつ波長可変なレーザーを用いて、波長掃引しながらマイクロメートルサイズの微小球に光照射することで、光散乱を通じて共鳴構造を明らかにするなどの結果が得られたが、さらに多種類の微小球に同様の測定を行うなど、次年度も継続の必要がある。また共鳴光の照射が微小球の運動に及ぼす影響についても研究の必要がある。一方で、「研究実績の概要」記載の事項2および3に関しては、微小球を高真空中に捕捉・浮遊させ、さらにその重心運動状態を測定し、位置情報をリアルタイムに取り出すことに成功するなど、順調に進んでいる。これらの事項2および3に関連する主な実験装置は大阪大学に構築しており、次年度もスムーズに研究をすすめることができると考えている。また、ビデオ会議による議論を通じて、事項1から3を当初予定とは違う形で統合する共同研究が有望であることもわかってきた。
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| 今後の研究の推進方策 |
「研究実績の概要」記載の事項1に関しては、引き続き、様々なサイズの微小球について共鳴構造を明らかにすることを目指す。狭線幅かつ波長可変なレーザーを用いて、波長掃引しながら微小球に光照射することで、光散乱を通じて共鳴構造を明らかにする。様々なサイズの微小球について系統的な結果を得て、共同研究の論文化を目指す。
また同時に、「研究実績の概要」記載の事項2および3を統合した共同研究をすすめる。高真空中に、帯電したナノメートルあるいはマイクロメートルサイズの微小球を、 直流・交流電場によって捕捉・浮遊させる。その状態にある微小球の重心運動を、CMOSカメラで観測した上で、マイクロコントローラを基盤としたリアルタイム処理を行い、微小球の位置情報を電気信号として取り出す。この電気信号を、直流・交流電場にフィードバックすることで、重心運動の制御を目指す。特に、重心運動エネルギーの削減、すなわち重心運動冷却を狙う。
研究をすすめるにあたって、微小球の重心運動の制御のためには、実験系全体の振動の除去が必要不可欠であることがわかってきた。この課題を解決するために、真空排気系や結像系など、実験装置の除振に取り組む。除振の上で重心運動冷却の限界を追求し、論文化を目指す。
上記の2つの研究について、英国ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのPeter Barker教授のグループと研究結果を相互にフィードバックしあい、共同研究をすすめる。
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