東大,右/左巻きナノ構造を光で作り分けに成功

東京大学は,右巻きと左巻きのナノ構造を,右巻き,左巻きの円偏光で簡単に作り分ける技術を開発した(Nano Lettersオンライン版掲載論文)。

数nm~数百nm程度の金や銀などのナノ粒子は,プラズモン共鳴により,特定の波長の光を捕捉したり,散乱したりする。ナノ粒子がプラズモン共鳴によって光を捕捉する性質は,太陽電池,光触媒,発光素子,表示材料,バイオセンサーなどに利用できる。

これらのナノ粒子に「ねじれた構造」を持たせると,「ねじれた光」,つまり円偏光を捕捉したり,散乱したりできるようになる。しかし,ねじれた構造を作るには,これまで,電子線リソグラフィーや,DNAなどをもとにして作った「ねじれた鋳型」を用いる方法など,コストや手間,時間をかける手段しかなかった。

研究グループは,「光のねじれ」を「物質のねじれ」に転写するために,酸化チタン薄膜に載せた直方体金ナノ粒子を用い,粒子周囲に生じる微細な光の偏りと,偏った光による酸化鉛の析出を利用した。 酸化チタン薄膜(厚さ40nm)に直方体の金ナノ粒子(およそ110×40×40nm)を載せた。これに円偏光を当てると,4つの角のうち,対角線上にある2つの角に光が集まる。光が集まる角は,右と左の円偏光で異なる。

一方,研究グループでは,「プラズモン誘起電荷分離」という現象を見出した。酸化チタン上の金ナノ粒子がプラズモン共鳴を起こすと,プラズモン誘起電荷分離によって金ナノ粒子上で酸化反応,酸化チタン上で還元反応が起こることがわかっている。プラズモン誘起電荷分離による鉛イオン(Pb)から酸化鉛(PbO2)への酸化反応は,粒子上の「光が集まる場所」で起こりやすいことから,この反応を,酸化チタン上の直方体金ナノ粒子に適用すれば,右と左の,いずれの円偏光を当てるかによって,異なる2つの角に酸化鉛を析出させられると考えた。

その結果,多くの粒子で意図した部位に酸化鉛を析出させることができた。酸化鉛は誘電体であり,プラズモン共鳴を助ける効果がある。したがって,金ナノ粒子がねじれているのと同様の効果を持つ。このねじれた構造は,右円偏光と左円偏光に対し,異なる応答を示す。例えば,左円偏光によって酸化鉛を析出させたナノ構造に右円偏光を当てても,光の偏り方は,酸化鉛がない場合とあまり違わない。しかし左円偏光を当てると,酸化鉛の付近に光が強く偏る。

この技術により,右円偏光に応答するナノ構造と,左円偏光に応答するナノ構造を,円偏光によって簡便に作り分けることができるようになった。これらのナノ構造は,3次元ディスプレーに使う円偏光発光や片方の円偏光を通す円偏光フィルター,生体分子のL体とD体を区別するセンサー,L体とD体を選んで作り分ける(選んで分解する)光触媒,光を自在に曲げ,光回路などに応用できるメタマテリアルなどへの応用が期待されるとしている。

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