| 研究課題/領域番号 |
26246028
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
笹木 敬司 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00183822)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 光ナノシェーピング / プラズモン / 金属ナノ構造 / 光渦ビーム |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、光の「大きさ」をナノサイズまで小さくするだけでなく、ナノスポットにおける光電場振幅・位相分布をシングルナノスケールで制御する、すなわち、光の「形」をナノ空間でコントロールする、新奇なナノプラズモニックシステムの創製に挑戦する。この光ナノシェーピングが実現できれば、分子・分子集合体の波動関数と光のナノ形状をマッチングさせることにより、禁制遷移の選択励起・許容遷移の完全抑制・均質媒質の第二高調波発生など、これまでの常識を打ち破る物質の光励起ダイナミクスや光反応プロセスが実現できる。金属２次元ナノギャップ構造体にラゲールガウス（ＬＧ）ビームを照射して多重極局在プラズモンを励振し、ＬＧモードの運動量（波数）・スピン角運動量（円偏光）・軌道角運動量（螺旋波面）を転写して多重極モードの近接場干渉を制御するという独自のアイデアにより、ナノスケールで電場振幅・位相分布を自在に成形する光ナノシェーピング技術を世界に先駆けて開発している。また、デザインされた周期に金属ナノ構造体を配列することにより、ＬＧビームを高効率にカップリングさせて多重極プラズモンを高Ｑ値で共鳴励振するシステムを開発し、超高効率光反応プロセスや超高感度センサーに展開している。さらに、角運動量を付与したＬＧもつれ合い局在プラズモンを生成して、古典光の限界を超える微細多光子重合パターン形成の実現を目指して研究を進めている。本研究は、これまでの常識を打ち破る光物理・光化学現象の誘起や光分子認識などへの展開が期待できると考えている。
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| 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
平成２６年度は、金属２次元ギャップ構造にＬＧビームを照射したときの３次元電磁界分布を高速・高精度に数値計算する新しいシミュレーション解析手法を開発した。本手法を用いて、２次元ギャップ構造の形状・対称性・サイズをパラメータとして局在プラズモン場の３次元振幅・位相分布をシミュレーションし、電場分布の局在性・増強度・多重極特性・偏光回転特性など光子のナノシェープを解析して最適な金属ナノ構造をデザインした。次に、ＬＧビームの周波数・偏光・方位角モード次数・径方向モード次数・ビーム広がりを設定して局在光の３次元形状を数値計算し、多重極ギャッププラズモンモードの選択励起特性・カップリング効率について詳細に解析して、光ナノシェーピングの最適制御システムを設計した。また、光子とプラズモンのスピン角運動量・軌道角運動量・全角運動量の転写やキラリティー保存性について理論的に考察した。さらに、高次径方向モードを利用して金属ナノリング構造に長距離伝搬プラズモンを誘起し、高Ｑ値の多重極プラズモンモードを励振するシステムについてもデザインの最適化を行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成２７年度以降は、電子線描画装置を用いたリソグラフィー技術により、金ナノギャップ構造体を設計に基づいて製作する。電子科学研究所附属グリーンナノテクノロジー研究センターの設備および技術職員の支援により、国内でも有数の高分解能微細加工技術の実績が既にあるが、平成２７年度導入される最新機種の電子線描画装置により、更なる解像度の向上を図る予定である。作製したナノ構造体の分光測定や発光測定を行い、シミュレーション解析にフィードバックしながら微細加工条件の最適化を図る。また、コンピュータ制御空間位相変調器を用いて半導体レーザーのガウス光をＬＧビームにモード変換し、波長板で偏光を調整して金ナノ構造体に集光するシステムを構築する。集光系には、後述するＬＧ量子もつれ合い光子の実験のために、開口数が大きく２次波長分散の小さい非球面レンズを使用する。また、我々が既に開発しているシングルナノメートルの空間分解能を有する散乱型ニアフィールド顕微鏡を組み合わせて、ギャップ局在プラズモンのナノ空間電場分布を詳細に解析する。さらに、スペクトル特性を解析するために高輝度白色光源と分光器を用いて波長を掃引すると同時に、空間位相変調器を制御して分散補正したＬＧビームを発生させるシステムに拡張する。開発したシステムを用いて光ナノシェーピングを実現し、実験結果から光局在特性やキラリティー制御性について考察する。
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