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メゾスコピック計測研究センター熊谷グループ

場所:明大寺キャンパス
Annual Review : こちら

走査プローブ顕微鏡、ナノスケール顕微分光、プラズモニクス、単分子化学、水素ダイナミクス、分子エレクトロニクス

走査プローブ顕微鏡の先端技術を基軸とし、ナノ分子科学の最前線を切り開く

個々の分子を直接観察し、それらを自在に操ることは分子科学における夢の実験の一つです。1980年代に発明された走査プローブ顕微鏡はこの夢を実現する究極的な単分子計測へと発展し、物理、化学、生物、そして医療にわたる幅広い分野で飛躍が期待されているナノサイエンス・ナノテクノロジーの中心的技術として現在も進化を続けています。20世紀の著名な理論物理学者であるリチャード・P・ファインマンは「There's Plenty of Room at the Bottom」という言葉を残しています。10億分の1メートルというとても小さな「ナノの世界」は科学者の知的好奇心をくすぐる興味深い物理・化学現象が見られる学術研究のフロンティアであるだけでなく、21世紀における革新的な超微小デバイスやエネルギー変換技術の創出など現代社会の課題に貢献できる大きな可能性を秘めています。

私たちは、走査トンネル顕微鏡および原子間力顕微鏡の先端計測を基軸とし、ナノ分子科学の最前線を切り開くことを目指した研究を行っています。この先端計測によって、たった一つの分子内で起きている化学反応を直接観測するだけでなく、単原子・単分子を思いのままに操作してその反応を制御することもできます。また、ナノの世界を支配している量子ダイナミクスを直接観測できることも示しました。さらにプラズモニクスと呼ばれるナノスケールの光を操る技術と走査プローブ顕微鏡を融合させることによってナノ物質や単分子の構造とダイナミクスを分光学的に直接調べる新しい計測技術についても研究を行っています。これによって原子・分子レベルの時空間極限における究極的な顕微分光を実現し、局所的な構造の不均一性とゆらぎの中から生まれる分子システム特有の機能の本質を解き明かす研究へと展開していきます。
 

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Single-molecule chemistry studied by scanning probe microscopy. The figure illustrates the experiment on the direct observation of single-molecule tautomerization in porphycene.6, 7

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Direct observation of quantum dynamics. The figure shows scanning tunneling microscope image of single silver atom and porphycene molecules, where the double hydrogen transfer reaction occurring via quantum tunneling is directly visualized.5

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Combination of scanning probe microscopy and plasmonics. The figure shows precise control of nanoscale light in the scanning tunneling microscope junction with a nano-fabricated plasmonic tip.2

参考文献

  1. S. Liu, M. Müller, Y. Sun, I. Hamada, A. Hammud, M. Wolf, T. Kumagai, Resolving the Correlation between Tip-Enhanced Resonance Raman Scattering and Local Electronic States with 1 nm Resolution. Nano Lett. 19, 5725–5731 (2019).
  2. H. Böckmann, S. Liu, M. Müller, A. Hammud, M. Wolf, T. Kumagai, Near-Field Manipulation in a Scanning Tunneling Microscope Junction with Plasmonic Fabry-Pérot Tips. Nano Lett. 19, 3597–3602 (2019).
  3. H. Böckmann, S. Gawinkowski, J. Waluk, M.B. Raschke, M. Wolf, T. Kumagai, Near-Field Enhanced Photochemistry of Single Molecules in a Scanning Tunneling Microscope Junction. Nano Lett. 18, 152–157 (2018).
  4. S. Liu, M. Wolf, T. Kumagai, Plasmon-Assisted Resonant Electron Tunneling in a Scanning Tunneling Microscope Junction. Phys. Rev. Lett. 121, 226802 (2018).
  5. M. Koch, M. Pagan, M. Persson, S. Gawinkowski, J. Waluk, T. Kumagai, Direct Observation of Double Hydrogen Transfer via Quantum Tunneling in a Single Porphycene Molecule on a Ag(110) Surface. J. Am. Chem. Soc. 139, 12681–12687 (2017).
  6. J. N. Ladenthin, T. Frederiksen, M. Persson, J. C. Sharp, S. Gawinkowski, J. Waluk, T. Kumagai, Force-induced tautomerization in a single molecule. Nature Chemistry 8, 935–940 (2016).
  7. T. Kumagai, F. Hanke, S. Gawinkowski, J. Sharp, K. Kotsis, J. Waluk, M. Persson, L.Grill, Controlling intramolecular hydrogen transfer in a porphycene molecule with single atoms or molecules located nearby. Nature Chemistry 6, 41–46 (2014).
  8. T. Kumagai, A. Shiotari, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga, I. Hamada, T. Frederiksen, H. Ueba, Hydrogen relay reactions in real space. Nature Materials 11, 167–172 (2012).