2017 Fiscal Year Annual Research Report

マイクロ粒子の光捕捉ポテンシャル解析を活用したナノ物質への光圧測定法の開発

Publicly Offered Research

Project Area	Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces
Project/Area Number	17H05462
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	田中嘉人東京大学, 生産技術研究所, 助教 (50533733)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2019-03-31
Keywords	光圧 / 微弱力計測 / 光ピンセット / 局在プラズモン共鳴
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、ナノ物質に働く光圧のポテンシャル解析における問題点（1.短い光捕捉時間、2.微弱なプローブ信号）を解決するために、マイクロ粒子を対象とした光捕捉ポテンシャル解析を活用することにより、ナノ物質に作用するfNオーダーの光圧を精密測定する手法を世界に先駆けて開発するものである。本年度は、電子線ビームリソグラフィ法とドライエッチング法を組み合わせることにより、ナノ粒子を中心に配置したSiO2マイクロ構造（マイクロプラットフォーム：MPF）を作製する方法を開発した。また、空間光位相変調器で４つの集光レーザービームを生成し、MPFの3次元的な捕捉・操作を実現した。このMPFの４つのトラッキング部から位置揺らぎを正確に測定するシステムを開発することで、並進だけでなく回転の捕捉ポテンシャル解析も可能にし、ナノ粒子に働く光圧とともに従来難しかった光トルクも同時に計測できることを見出した。本手法により、光圧ベクトルと光トルクが、それぞれ50 fN（既報のポテンシャル解析による光圧計測のレコードと同程度）と100pN・nmの感度・分解能で計測できることを示した。また、三角プリズム形状をした単一の金ナノ粒子が、入射偏光に応じて３つの異なる方向に光散乱を分類することを見出し(Y.Y.Tanaka and T.Shimura, Nano Lett., Vol. 17, 3165 (2017))、そこで生じる光運動量変化から偏光により光圧方向を360度制御可能であることを示した。これは、ナノ粒子形状の対称性が破れていることに起因するものであり、光圧と粒子形状の新たな相関に対する重要な知見である。さらに、局在プラズモン共鳴によりナノ構造体の光圧を増強できるだけでなく、再現性よくナノ構造が作製できるため、金ナノプリズムはナノ粒子光圧計測システム開発に向けた優れた標準サンプルになると考えている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 当初初年度に予定した、マイクロプラットフォーム（MPF）作製、ホログラフィック光ピンセットによるMPF操作、位置ゆらぎの高空間分解能計測を実現し、極微弱力計測に成功しただけでなく、三角プリズム形状をした単一の金ナノ粒子に働く光圧解析より、光圧と粒子形状の新たな相関に対する重要な知見を得ることができ、後者の内容がNano Letterに掲載された。以上の理由より、当初の計画以上に進展していると判断した。
Strategy for Future Research Activity	光バネ定数の制御を導入することで、本手法の光圧計測感度を更に向上させ、ナノ物質に作用するfNオーダーの光圧を精密測定する手法を世界に先駆けて開発する。