Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

光圧 / 局在プラズモン共鳴 / 光駆動ナノモーター / 表面プラズモン / 金属ナノ構造 / プラズモンセンサー / ナノモーター / プラズモン

金属ナノ構造表面近傍の分子の状態や化学反応等に応じて自律的に運動を制御する光駆動ナノモーターの創出を目指し、分子とナノ構造の相互作用に伴う局在プラズモン共鳴変化により光圧が高感度に応答する金属ナノ構造体を研究した。特に、本年度は、シミュレーションによるナノ構造の設計を集中して行った。
長さの異なる２本のナノロッドは、局在プラズモン間の位相差により指向性側方光散乱を生じる。この反作用として、散乱方向と逆向きにナノロッドペアに面内光圧が働く。この光圧を駆動力とするナノモーターを基に設計を行った。この光圧は局在プラズモン共鳴に基づくものであるため、周辺屈折率変化に応じて力の大きさが変化する。今回、片方のナノロッドのみをSiO2で囲んだナノ構造を考えた。つまり、周辺屈折率変化に対して、SiO2で囲んだナノロッドのプラズモン共鳴は変化しない。これにより、周辺屈折率の変化に対するロッド間のプラズモン位相差の変化が増大すると期待される。設計したナノ構造の光散乱パターンを電磁場シミュレーションにより解析したところ、周辺屈折率に対する散乱の指向性が、SiO2を囲んでない場合と比較して大きく変化することが確認された。また面白いことに、SiO2で囲んだロッドのプラズモン共鳴が変化しないため、周辺屈折率を大きくしていくと位相差の逆転が生じ、指向性散乱の方向が逆方向に転ずる様子が見られた。そこで、面内光圧をMaxwell応力法によって計算したところ、周辺屈折率に対して力の大きさが変化するだけでなく、力方向が逆転することも確認できた。従って、周辺屈折率に応じて運動方向を自律的に制御するナノモーターが期待される。

グラフェン / 光圧 / ラマン光学活性 / プラズモン / 光捕捉 / 表面プラズモン / 光トラッピング / 中赤外 / グラフェンプラズモン

本研究では、表面プラズモンの光圧ベクトルを光捕捉したナノ粒子のポテンシャル解析によって測定することで、中赤外グラフェンプラズモンの波数ベクトルを高い空間分解能でイメージングする方法の開発を行った。期間内に、可視から中赤外域にわたる領域で透明なシステムを開発し、光捕捉ポテンシャル解析を用いてナノ粒子に働く中赤外光圧のアップコンバージョン計測を実現した。また、グラフィンナノリッジが表面プラズモンの光励起を可能にし、リッジの配列構造が表面プラズモンの伝搬方向を制御することを見出した。さらに、ツイストスタック二層グラフェンがラマンキラル活性を示すことを初めて明らかにした。

単原子層グラフェンで生じる伝搬表面プラズモンは、ナノデバイスへの応用に向けて、ナノ空間で光励起し、その伝搬方向を制御する研究が活発に行われてきた。本研究では、グラフェンプラズモンの波数ベクトルを高い空間分解能でイメージングする方法を開発するとともに、グラフィンナノ構造が表面プラズモンを光励起し、その伝搬方向を制御することを見出した。この成果は、従来理論研究が多かったグラフェンプラズモンの実験研究が飛躍的に進みナノデバイス応用に向けて大きく前進すると期待される。