北大,ナノ空間に光を2倍長い閉じ込めに成功

北海道大学は北京大学と共同で,厚さ25nmの酸化アルミニウム(アルミナ)を,金ナノ微粒子の周期構造と厚さ20nmの金フィルムでサンドウィッチしたナノ構造により,光を金ナノ微粒子に2倍長い時間閉じ込めることに初めて成功した(ニュースリリース)。

光が金ナノ微粒子に当たると,微粒子表面の電子が光と共鳴して集団で振動する局在プラズモンが生じる。これまで,金ナノ微粒子の近くに分子が存在すると,局在プラズモンにより分子の発光やラマン散乱が強くなることがわかっており,分子の高感度な検出法として利用されてきた。

これは,電子の振動により新たな光(近接場)が微粒子表面に発生し,光がナノ空間に閉じ込められることと,電子の振動がしばらく続くため近接場が長い間維持され(=時間的な閉じ込め),時・空間的に閉じ込められた近接場と分子が強く相互作用するため。さらなる高感度化を目指し,より小さなナノ空間に近接場を閉じ込める研究が行なわれてきたが,近接場を時間的に閉じ込めることは難しく,これまで報告がなかった。

研究グループは,近接場を時間的により長く閉じ込めるシステム作りに挑戦するため,厚さ数10nmの金フィルム表面に発生する伝搬型のプラズモンに着目。金フィルムに斜めから光を入射すると,ある入射角度で電子の集団振動が生じ,伝搬型プラズモンとして金フィルム表面上を伝わっていく。

伝搬型プラズモンは局在プラズモンに比べ光散乱による損失が小さいため,電子の振動が局在型より長く継続する。伝搬型は,空間的な閉じ込め範囲は局在型より小さいが,時間的には長く近接場を閉じ込められることが知られている。

実験は,金ナノ微粒子の周期構造の上方から光を当て,周期構造によって照射方向の垂直方向へ進む回折光を生じさせた。これにより,厚さ数10nmの金フィルム表面上を電子の集団振動が伝搬する伝搬型プラズモンが発生し,これと金ナノ微粒子の局在プラズモンとが強く相互作用した新しい状態,「強結合状態」を創ることに成功した。強結合状態では金ナノ微粒子に近接場を長時間閉じ込めることが可能になり,閉じ込め時間を約2倍とする新たな機能発現に成功した。

この成果は,高感度な分子検出システムの開発に応用でき,創薬や医療検査への展開が期待されるとともに,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展開にも期待が寄せられるものだとしている。

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