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2022 年度 実施状況報告書

タンパク質における非平衡ボース凝縮の観測と光機能発現の根本原理における役割の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22K18269
研究機関東京大学

研究代表者

松永 隆佑  東京大学, 物性研究所, 准教授 (50615309)

研究分担者 井上 圭一  東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2026-03-31
キーワードテラヘルツ分光 / タンパク質
研究実績の概要

タンパク質に外部からエネルギーを与えて非平衡状態にすると集団振動モードが最低エネルギー準位に集中し、ある種のボースアインシュタイン凝縮が発現することが半世紀前に理論的に予測された。これはフレーリッヒ凝縮と呼ばれ、長らく実験的な検証がなされていなかったが、テラヘルツ帯において鋭い線幅を持つ吸収ピークとして観測できる可能性が指摘されている。
本研究では、光励起したタンパク質に対して広帯域・高分解能の高速テラヘルツ分光を行うことで、フレーリッヒ凝縮の存在を立証してその観測方法を確立し、凝縮ダイナミクスを計測することを目指す。そのために今年度は広帯域・高分解能かつ高速にテラヘルツ分光を行うことのできる非同期サンプリング時間領域分光システムを開発した。この手法は繰り返し周波数が僅かに異なる二つのフェムト秒パルスレーザーを使い、機械的遅延制御を必要とせずにテラヘルツ時間領域分光の時間軸上での遅延時間操作を高速に行う手法である。ただしフェムト秒パルスレーザーの繰り返し周波数が時間の経過とともにずれるため、このジッターを抑えて精密に固定するためのフィードバック制御とそのための高価な実験機器が必要になる。そこで本研究では、フィードバック制御を一切行わず、繰り返し周波数が時間変化するフリーラン状態のパルスレーザーを用いて非同期サンプリングを実現するためのジッター補正法を開発した。自作のYb系ファイバーレーザー2台を用いて、テラヘルツパルスのデータとともに繰り返し周波数差の14倍の周波数のAC信号を補正用信号として取得し、ジッターを補正してから積算することで、1THzを超える帯域でも信号強度を落とすことなく積算を実現し、100MHz程度の分解能を持つ広帯域・高分解能実験システムを開発した。

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

本研究に必要な広帯域・高分解能かつ高速のテラヘルツ分光を今まで以上に簡便なシステムで実現する手法を開発することに成功するなど、順調に進展している。

今後の研究の推進方策

昨年度に開発した手法により、フィードバック制御なしで簡便にテラヘルツ非同期サンプリングを行うことが可能になった。ただしデータ取得後に補正プログラムを走らせる上で処理時間が必要になるほか、今後ポンププローブ分光と組み合わせるためには波長800nmで発振する市販のチタンサファイアレーザー及び再生増幅器と組み合わせて非同期サンプリングを実現させることが望ましい。そこで今年度は市販のフリーランニングチタンサファイアレーザーを使った非同期サンプリングテラヘルツ分光を実現する。高速のデータ取得および解析のために補正方法を見直すほか、繰返し周波数差がより大きい実験システムに改良して高速の非同期サンプリングシステムを実現する。
さらにタンパク質溶液に対して光励起しながら高分解能テラヘルツ分光を進める。予備実験においてはCWレーザーによる励起によって励起スポットの試料温度が上昇し、タンパク質が不均一に空間分布する問題が生じた。励起レーザーをパルス化するほか試料の担持方法を改善して温度上昇を抑制し、光励起後のテラヘルツ分光を実現する。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2022 その他

すべて 学会発表 (3件) 備考 (1件)

  • [学会発表] フリーランニングパルスレーザーに適応可能な非同期サンプリングテラヘルツ時間領域分光のジッター補正2022

    • 著者名/発表者名
      中川真由莉,神田夏輝,乙津聡夫,伊藤功,小林洋平,松永隆佑
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 「非同期サンプリング」を使ったテラヘルツ分光システムの開発2022

    • 著者名/発表者名
      中川真由莉
    • 学会等名
      ISSP Women's week 2022 物性女性若手研究交流会
  • [学会発表] フリーランニングパルスレーザーに適用可能な非同期サンプリング法におけるジッター補正法の開発2022

    • 著者名/発表者名
      中川真由莉,神田夏輝,乙津聡夫,伊藤功,小林洋平,松永隆佑
    • 学会等名
      シンポジウム 「テラヘルツ科学の最先端IX」
  • [備考] 中川 真由莉(松永研D2)氏、シンポジウム「テラヘルツ科学の最先端IX」の最優秀若手研究者賞を受賞

    • URL

      https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=17338

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公開日: 2023-12-25  

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