2017 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Optical Forces: Developing new manipulation methods utilizing the resonant linear and nonlinear optical responses of matter systems
| Project Area | Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces |
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16H06505
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
岡本 裕巳 分子科学研究所, メゾスコピック計測研究センター, 教授 (20185482)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊都 将司 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (10372632)
庄司 暁 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20437370)
芦田 昌明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60240818)
熊倉 光孝 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (30324601)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 光ピンセット / 光物性 / 非線形光学効果 / 物質操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
操作対象物質の共鳴・非線形光学効果を利用した操作の自由度の拡張を目的として，下記のような研究を展開した。
常温液中で非線形・共鳴・偏光の効果，操作対象物の状態を定量的に調べ，新たな操作様式を開拓するため，前年度より新規実験系を構築し，そのテストとともに現実系への適用を進めた。捕捉物質の光化学反応により光学応答を光で変調させることによる光圧スイッチングの研究では，熱戻り反応を示すフォトクロミック化合物を用いた光化学反応系などにも拡張し，化学反応により誘起されるミクロ機械運動の応答速度を反応収率によって制御できることを実証した。共同研究[A]における多数のナノ粒子の選択的輸送実現に向けて，光化学反応によるマイクロ粒子の輸送速度の制御にも取り組んだ。ガラスキャピラリー内に分散した種々のナノ粒子にレーザー光を照射し，散乱力で粒子が輸送される様子をリアルタイムに暗視野顕微観察し，輸送速度から粒子にかかる散乱力の定量的な評価を行った。物質の非線形光学応答を用いる光マニピュレーションでは，計画研究A01との共同研究で，超解像光トラッピングの可能性について提案する論文を公表した。
低温超流動液中及び気相の実験では，CdSeナノ粒子（量子ドット）の配列制御に向け，金属ナノ構造をターゲットとした光圧による輸送実験を試みた。その結果，量子ドットの配列に関連した蛍光イメージの取得に成功した。また量子ドットの気相中での光マニピュレーションに向けて，窒素気体中に分散した量子ドットを含む液滴の挙動を光散乱によってモニターし，溶媒の蒸発を促進して孤立させる手法を開発したほか，蒸発後の量子ドットの蛍光測定から，液滴の温度や発光効率が変化することを明らかにした。
また共同研究[B]における結晶等階層構造創製に寄与する計測法の一つとして，円偏光二色性顕微鏡の開発とその技術向上を継続して進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
常温液中実験，低温実験ともに，共鳴・非線形光捕捉の定量的な解析と新たな光圧様式創出のための実験システムの性能評価と拡張，単層カーボンナノチューブを同定・定量・経時変化追跡するためのラマン分光システム，気相中への量子ドット分散のための液滴導入とその分光のための装置等，装置の構築・性能向上は着実に進行している。波長可変ＣＷレーザーを光源として用いたナノ粒子光駆動のシステムの構築に着手し、μｍ～サブμｍの大きさの粒子に対して光駆動の実施を行った。単層カーボンナノチューブ等のナノ粒子に対して共鳴効果を考慮した光輸送・分離実験の基礎を構築することができた。
フォトクロミック分子を含んだ高分子微粒子では，これまでに成功したP型フォトクロミック分子に加えて，戻り（消色）反応が熱的に進行するT型フォトクロミック分子系に対して研究を展開し，光化学反応による共鳴吸収帯変化に基づく光圧のスイッチングが多様な分子系で実現可能であることを示した。また，誘起される機械運動の応答速度を化学反応速度によって制御できることを実証し，物質側の自由度を利用した光圧操作の自由度向上の一般性を高めることに成功した。また超伝導微粒子の磁気トラップ実験では光照射によるトラップ位置シフトから超流動ヘリウム中の粒子に働く力が測定できることを明らかにするなど，新しい成果も出始めている。捕捉・操作の対象とするナノ微粒子の分光特性の解明についても，A03班で作製された新たな金属ナノ構造を使った実験，A04班で合成されたナノ粒子の光圧制御など，班内・班間共同研究が進展している。次年度以降の，より高度な非線形・共鳴・偏光の効果を生かした光圧実験に向けた基礎ができてきている状況であり，概ね順調に推移していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
対象物質の共鳴・非線形光学効果，偏光特性等をより積極的に利用し，光圧によるナノ物質操作の自由度を拡張していくため，現在各研究グループで進めている実験配置の確立，性能向上，精緻化をさらに進める。非線形光捕捉や各研究グループの特徴的な光圧操作法，評価手法等の技術を共有して共同研究を進める。常温液相の実験では，共鳴・非線形捕捉における捕捉ポテンシャルを実測する実験，キラルナノ微粒子の円偏光捕捉，超解像光捕捉の可能性を追求する。多色・多方向光照射トラップでは，波長の異なる対向レーザー光による選択的ナノ物質輸送実験の実験検証を開始すると共に，複数粒子の選択的同時輸送実験を実施する。また，超短パルス光照射により誘起される共鳴非線形応答を用いた化学反応誘起とそれによる光圧変調に挑戦し，光圧操作の自由度拡大のためのさらなる方法論を探索する。カーボンナノチューブに対して光スポットによる捕捉，ガラスキャピラリー流路内の特定レーザー波長による選択的な光圧駆動を行い，他の微粒子にも適用する。さらに微粒子の分離・抽出を可能にするため，マイクロ流路を導入した光学システムを構築する。低温液体中・気相実験では，気相中に孤立する量子ドットを多数生成する技術を確立し，光励起による加熱の影響や光圧の効果を実験的に明らかにし光選別の可能性を検証する。複数ビームを用いた線形及び非線形光マニピュレーションについて，計画研究A01との共同研究に基づく詳細な実験計画を立案し，実施する。プロトタイプの微粒子試料は計画研究A03，A04に協力を要請して入手し，各種実験環境における耐久性を確認する。
これらの研究で得た光捕捉技術は，班間共同研究[A]や[C]において特定の光学特性を持つ微粒子を選択的に特定の位置に集め配置するための技術として用いる。また関連する光特性計測技術も，班間共同研究[A]や[B]において有効に用いる。
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[Presentation] Imaging Chiral Plasmons2017
Author(s)
Hiromi Okamoto, Shun Hashiyada, Yoshio Nishiyama, Tetsuya Narushima
Organizer
JSAP-OSA Joint Symposia, The 78th JSAP Autumn Meeting 2017
Int'l Joint Research / Invited
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