北大ら，金ナノ粒子表面に2つの電子の集団運動を観測

北海道大学と筑波大学は，極めて短い光を出すレーザーと，金属から外に飛び出した電子を可視化することができる顕微鏡を組み合わせ，金ナノ微粒子表面に引き起こされる2つの異なるタイプの電子の集団運動の継続時間を観測することに世界ではじめて成功した（ニュースリリース）。

近年，環境・エネルギー問題が顕在化しつつあり，光触媒や色素増感太陽電池など，光をエネルギー源・駆動源とする光化学の研究は一段とその重要性が増している。したがって，環境負荷を低減し，真の低炭素社会を実現するためには，光エネルギーを余すところなく利用できる「光反応場」の構築が強く求められている。

北海道大学の三澤教授は，この「光子の有効利用」の概念を世界にさきがけて提唱し，金属ナノ構造が示す光アンテナ効果により光エネルギーを高効率に利用する「光－分子強結合反応場の創成」を目的として，この分野を世界的に牽引してきた。

金ナノ微粒子は，光と相互作用することにより局在表面プラズモン共鳴という金表面の電子の集団運動による波と光が結合した状態を形成し，呈色する。通常，金属ナノ微粒子は光を吸収するだけではなく，外部に光を放射する（散乱）。これは，金属ナノ微粒子表面に電子の集団運動によって双極子と呼ばれる電荷の偏りが1つのものが形成され，それが電磁波（光）を放射するため。

しかし，もし四重極子と呼ばれる，1つの金属ナノ微粒子内において電子の集団運動により形成される電荷の偏りが逆向きのものが接近して並べば，外部への放射が抑制され，高い光閉じ込め効果が得られると期待される。

四重極子は，金属ナノ微粒子に対してナノメートルサイズの光が纏わりついた構造を近接させたり，微粒子に対して光を斜めから入射して電荷の偏りを増大させたりすることにより引き起こされる（ただし，入射光電磁波の電場の向きは基板に対して水平）。

研究では，電子の集団運動によって引き起こされる電子波が双極子の場合は5フェムト秒，四重極子の場合は9フェムト秒と位相緩和時間が異なること，四重極子を選択的に誘起すれば，より高い光閉じ込め効率を示すことを明らかにした。

表面プラズモン共鳴に基づく電子の集団運動は，光が通過した後も位相緩和時間の数フェムト秒の間継続し，それによって近接場という新たな光が金属表面に発生するため，光を効果的に金属ナノ微粒子表面に閉じ込めたことになる。

今回の計測は，より効果的に光閉じ込めを可能にする金属ナノ構造の設計指針を確立するために重要であり，優れた光閉じ込め機能を有する革新的な太陽電池や人工光合成などの光エネルギー変換システムへの応用・展開が期待されるとしている。