慶應義塾大学の研究グループは，金（Au）原子の数を1個単位で精密に制御した金ナノクラスターを用い，蒸着した固体表面に光照射することによる光電子放出過程を詳細に解析することで，局在表面プラズモン共鳴（LSPR）の発現に必要な最小単位が21原子であることを明らかにした（ニュースリリース）。
プラズモン現象は，金属の中の自由電子が光などの電磁場によって励起されて電子集団として振動する現象を指す。LSPRは，太陽電池や光センシング，ナノ光回路といったフォトニックデバイスの性能向上に貢献すると期待されている。
しかし，LSPR が原子スケールでどのように発現するか，すなわちその「最小単位」が何かという根本的な問いは，プラズモニクス研究において長らく未解明のままだった。このLSPRの最小単位を明らかにすることは，プラズモン応答の根本的な理解を与え，光電変換において光吸収に引き続く電荷分離過程を精密制御する上で極めて重要であることから，LSPRの起源の特定は強く望まれていた。
特に，金の金属粒子のプラズモンは，可視光に応答することや化学的に安定であることを理由に，光触媒やバイオセンサーの分野でも注目を集めていたが，これまでのLSPRの観測では，銀ナノクラスターのガス中の希薄なナノクラスターの光吸収解離の観測や，10K程度以下の極低温の不活性マトリックス内に担持させたナノクラスターの吸収スペクトル測定などがあるものの，金ナノクラスターにおける知見はほとんどなかった。
一方，同研究グループは銀ナノクラスターにおいて9原子からLSPRが発現することを報告しており，元素や電子構造によってプラズモンの発現条件が大きく異なる可能性を示唆していた。
研究では，独自に開発した高強度の金属クラスターイオン源により，構成原子数を精密に峻別した金ナノクラスターを固体表面に蒸着し，2光子光電子分光法によって光応答と電子放出を高精度に解析した。測定では，プラズモン励起による光電子増強が照射する入の偏光方向（光電場の振動方向）に極めて敏感であることを利用してプラズモン励起の大きさを調べた。その結果，金ナノクラスターでは21原子以上で初めてLSPR応答が観測されることを突き止めた。
この成果は，元素ごとのプラズモン発現の起源と特性を理解する上で極めて重要なマイルストーンとなるもの。研究グループは，太陽電池における光電変換過程の増強や，高速通信に期待されるプラズモニック光回路などのナノデバイスの開発において，有効な基盤技術になることが期待されるとしている。
