2019 Fiscal Year Annual Research Report
Scanning tunneling microscopy for the development of ultimate nano-optics
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18H05257
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
今田 裕 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 上級研究員 (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, 研究員 (50802782)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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：高エネルギーの近接場光を生成するSTM探針作製のため、銀線の焼きなましの条件の最適化により以前と同程度の銀探針が作製できるようになった。また、イオンビームによる加工も取り入れ先端形状の制御を達成した。さらに新材料による探針開発を行い、より高エネルギー領域での近接場光を扱えるようになった。フォトクロミック分子であるジアリルエテンの分子膜において、光照射による変化が観察された。
研究項目②：単一分子レベルでのフォトルミネッセンスの時間分解計測に先立ち、時間分解能の低い（エネルギー分解能の高い）連続発振レーザーでのフォトルミネッセンス計測を行い、その結果を論文として投稿を行った（revision submitted to Science）。また、本項目の実施過程で得られた、単一分子からの光電流計測に関する結果も論文にまとめ投稿を行った（under review in Nature）。
研究項目③：本項目で目指す単分子赤外分光に対して相補的な情報を与える、単分子ラマン分光に関して、ラマン散乱が分子の吸着する基板の影響をどのように受けるかを解明し報告を行った（Appl. Spectrosc. 74 (2020) 1391.）。また、研究項目①と関連するが、幅広い周波数領域で電磁場の増強効果が得られる、様々な探針の開発に成功した。
研究項目④：外部照射された円偏光を増強するために利用する局在プラズモンの円偏光モードに関して、磁気状態観測に不可欠となるスピン偏極トンネル電流が与える影響を調査した。その結果、スピン偏極STM探針から生じるスピン偏極トンネル電流と円偏光モードの相関関係は非常に低いことが明らかとなり、スピン偏極トンネル電流が局所磁場印加に大きく影響しないことを示した。
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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
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①：2019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ため、当初の研究計画を延期し、銀探針の作製法の最適化ならびに代替材料での探針開発に取り組み、最終的に近接場光を生じる探針を作製できた。ジアリルエテンの分子膜において、光照射による変化を観察した。
研究項目②：2020年度にpsパルスレーザーによる単一のナフタロシアニン分子からの近接場増強フォトルミネッセンスの検出に成功した。連続発振レーザーと比較して、低いパワーでフォトルミネッセンスの強度飽和が観測され、強い非線形効果が確認された。
研究項目③：2020年度中に、超高感度THz検出器をSTM内で動作させ、外部から照射したレーザー光による局所加熱の検出に成功した。また、本研究項目に必須の、同期して動作するパルスレーザーの導入と調整をおこない、差周波発生が可能な光源システムの整備を行った。また、研究項目①と関連し、差周波発生や和周波発生に重要と思われる銀探針の作製についても進展があった。
研究項目④：貴金属探針と比べ、スピン偏極STM探針としてこれまでに利用してきたバルク磁性体では、先端近傍に生じる局在プラズモン状態密度が非常に小さいことが明らかとなった。そこで、貴金属探針の先端に単原子レベルの磁性体を吸着させた状態での磁気観測、及び、その探針での局在プラズモンの観察を優先することにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究項目①：昨年度にフォトクロミック分子であるジアリルエテンの分子膜において、光照射による変化が観察された。本年度は引き続き、分子膜内の単一分子における光スイッチの詳細な検討を行う。光によって起こる構造変化の詳細を明らかにする。次に、探針先端の近接場光による単一フォトクロミック分子の可逆変化の挙動を実空間で観察する。反応挙動の光の波長依存性を調べ、分子の構造変化に伴う伝導度の変化について詳細な解析を行う。
研究項目②：昨年度に、数psのパルス幅を持つチタンサファイヤモード同期レーザーを励起源とした、単一分子からの近接場増強フォトルミネッセンスの検出に成功した。レーザー強度依存性には強い非線形性が確認されたため、今年度は遅延ステージを導入しポンププローブ法を用いた時間分解計測に世界に先駆けて挑戦する。単分子系での励起寿命の直接計測の後に、2分子系に適用し分子間エネルギー移動のレート計測を試みる。また、昨年度同様に、寿命の長いスピン3重項系の検討も並行して行う。
研究項目③：昨年度、差周波発生の直接検出に用いる超高感度THz検出器を低温STM内で動作させ、レーザー誘起の熱輻射の観測に成功している。本年度は昨年度完成した同期した2台のパルスレーザーシステムを駆使し、STMトンネル接合における差周波発生の検出を行う。さらには、同時に生じると期待される和周波発生や高調波発生の観測も行い、STM探針直下の金属ナノギャップで生じる非線形光学効果の基礎を確立する。
研究項目④：本年度は、光照射による局所磁化反転とその観測を更に追求する。円偏光フェムト秒パルスを様々な条件で導入することで、探針直下において局所磁化反転の誘起を実現し、その磁化反転をスピン偏極STMにより観測する。これにより、局所光誘起磁場の基礎物性を明らかにし、通常磁場では実現不可能な超高速局所磁場印加を実現する。
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