立教大と東大、金量子ニードルで近赤外光を高輝度な可視光へ変換することに成功

立教大学と東京大学は、42個の金（Au）原子からなる異方的な形状を持つ金クラスター超原子である「Au量子ニードル」を増感剤として用いることで、エネルギーの低い近赤外（NIR）光を高輝度な可視光（黄色・橙色）へと変換する「三重項-三重項消滅（TTA）に基づくフォトンアップコンバージョン」において、世界最高効率と太陽光レベルの微弱光でも駆動する低閾強度の両立を実現した（ニュースリリース）。

太陽光は最大の再生可能エネルギー源だが、現在の利用技術（太陽電池など）の多くは可視光に偏っており、豊富に含まれる「近赤外光（λ > 750 nm）」の多くは活用されずに無駄になっている。特に800 nmを超える近赤外光は、次世代太陽電池として期待されているペロブスカイト太陽電池等でも利用が難しく、変換効率向上の大きな障壁となっている。

この研究では、金原子3個が正三角形状に積み重なった「針状」の異方的なコア構造を持つ金クラスター超原子（Au量子ニードル）に着目した。この物質は、圧倒的な近赤外光吸収能力、可視域の高い透明性、高効率な励起エネルギーの伝達という3つの特徴を併せ持つ。

これらの特性により、808 nm励起で21.4%、さらに長波長の936 nm励起でも15.0%という、従来の報告値を圧倒的に上回る三重項-三重項消滅（TTA）に基づくフォトンアップコンバージョンの変換効率（理論上限50%）を達成した。また、アップコンバージョンが効率よく起こり始める光の強さ（閾強度）は、0.14 W cm^-2と極めて低く、レーザーのような強い単色光だけでなく、疑似太陽光のような弱い多色光の照射でも機能することを証明した。

さらに、これまで学術的に議論の対象となっていたルブレンのスピン統計因子（f）が0.58という高い値であることを突き止めた。これは、今回のAu量子ニードルを用いることで、ルブレンという汎用性の高い分子材料が持つ潜在的な能力を初めて「全開放」できたことを意味する。

今回開発した「金量子ニードル」は、その原子レベルで制御された針状構造をさらに伸長させることで、1,000 nm（1マイクロメートル）を超える未踏の波長域まで光吸収を自在に広げることが可能。これらの金クラスター超原子をフォトンアップコンバージョンへと応用することは、将来的に、これまで人類が利用できていなかった広大な近赤外光のエネルギーを、自由自在に「資源化」できる可能性があるとしている。