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メゾスコピック計測研究センター岡本グループ

岡本グループ_メインイメージ
場所:明大寺キャンパス 研究棟1F
Annual Review : こちら

近接場光学顕微鏡,光学イメージング,ナノ物質,貴金属微粒子,キラリティ

新しい光学顕微鏡でナノ物質の励起状態とキラリティを探る

従来の光学顕微鏡では、光の波長(可視光で0.5μm程度)より小さい形を見ることができませんが、近接場光学顕微鏡という新しい方法によってナノメートルの物質の観察が可能になりました。ナノサイズ物質のカラー写真(スペクトル情報)を撮ることができ、また100兆分の1秒単位の極めて短い時間内に起きる変化を、刻一刻、場所ごとに調べることもできます。私たちは、貴金属でできたナノ物質で、物質の特性に深く関わる「波動関数」がこの方法で観察できることも見いだしました。更に、円偏光という螺旋の性質を持つ光で近接場計測をすることで、キラリティ(右手と左手のように、鏡像の関係にあるが同一ではない形を持つこと)の性質を、ナノ物質について場所ごとに調べることもできるようになりました。このようにナノ物質の新しい性質を光で調べ、制御する基礎的な研究を行っています。

貴金属ナノ微粒子をある一定の構造で集合させて配列構造を作ると、光を照射したときに、局所的に非常に強い光(金属微粒子のない場合に比べて、最大数百万倍)が発生する場合があると考えられています。通常の光学顕微鏡ではこのような光の場を観察することはできませんが、私達は近接場光学顕微鏡を用いて、発生した強い光の場を、実際にイメージとして観察しました。例えば微粒子が2個連結した構造では、粒子間の隙間に強い光が発生しているのが観察され、これは理論による予測に良く一致します。また、同じ近接場光学顕微鏡を用いた実験で、ナノサイズの孔を通ってくる光が、孔に金属板で蓋をすると、かえって強くなるという、奇妙な現象を見いだしました。解析の結果、貴金属の微粒子が光を集める特異な性質が、この現象に深く関わることがわかってきました。
 

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Near-field optical images of various gold nanostructures. A: Single gold nanorod (length 540 nm). The amplitude of the wave function is visualized. B: Dimers of spherical gold nanoparticles (diameter 100 nm). Strong optical fields are observed in the interstitial sites. C: Island-like assembly of gold nanospheres (diameter 100 nm). Strong field is localized in the rim part. D: Chirality image of gold nanorectangle observed with circularly polarized light. Yellow and blue parts indicate opposite handedness of chirality. Although a rectangle is not chiral, strong local chirality is visualized in this image.

参考文献

  1. H. Okamoto, T. Narushima, Y. Nishiyama, and K. Imura, "Local Optical Responses of Plasmon Resonances Visualised by Near-Field Optical Imaging," Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 6192-6206 (2015).
  2. S. Hashiyada, T. Narushima, and H. Okamoto, “Imaging Chirality of Optical Fields near Achiral Metal nanostructures Excited with Linearly Polarized Light,” ACS Photon. 5, 1486-1492 (2018). DOI: 10.1021/acsphotonics. 7b01511
  3. K. Imura, K. Ueno, H. Misawa, and H. Okamoto, “Anomalous Light Transmission from Plasmonic Capped Nano-Apertures,” Nano Lett. 11, 960-965 (2011).