大阪府立大學

単一分子の精密ナノ分光 ―観察しているナノ物質の性質を正確に評価する手法の確立―

更新日:2021年7月2日

理化學研究所(理研)開拓研究本部Kim表面界面科學研究室と大阪府立大學大學院工學研究科 石原 一教授の共同研究グループは、ナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)サイズの領域に局在する光を用いることで、原子分解能を持つ顕微鏡で観察しているナノ物質の性質を直接測る精密ナノ分光手法を確立しました。

本研究成果は、エネルギーの高効率利用に向け、ナノスケールの分子系で生じるエネルギー変換や物質変換の機構解明に貢獻するものと期待できます。

これまで、精密な分光計測には主にレーザー光が用いられてきましたが、空間分解能が數百nmと不十分でした。一方で、原子分解能で物質を観察できる顕微鏡では、精密な分光法が開発されておらず、顕微鏡で見ているナノ物質の性質を正確に測ることは困難でした。

今回、共同研究グループは、原子分解能を持つ走査トンネル顕微鏡(STM)(解説1)と狹線幅の波長可変レーザーを組み合わせ、マイクロ電子ボルト(μeV、1μeVは100萬分の1eV)という高いエネルギー分解能とnmという高い空間分解能を併せ持つ精密ナノ分光法を開発しました。さらにこの手法を用いて、化學種の同定、ナノ空間で生じるシュタルク効果(解説2)の発見とその機構解明に成功しました。

本研究は、科學雑誌「Science」に日本時間2021年7月2日に掲載されました。

論文タイトル「Single-molecule laser nanospectroscopy with micro–electron volt energy resolution」

研究助成資金等

本研究は、日本學術振興會(JSPS)科學研究費補助金若手研究(A)「単一分子STMフォトルミネッセンス法の開発及びエネルギーダイナミクスの解明と制御(研究代表者:今田裕)」、同新學術領域研究(研究領域提案型)「単一分子近接場光ピンセット法の確立と光機能性分子配列の創出(研究代表者:今田裕)」、同研究活動スタート支援「単一分子エネルギーアップコンバージョンの機構解明と高効率化(研究代表者:今井みやび)」、同基盤研究(S)「走査トンネル顕微鏡で拓く微小極限の光科學(研究代表者:金有洙)」、同基盤研究(S)「物質と生命を光でつなぐ分子技術の開発(研究代表者:內山真伸)」、同新學術領域研究(研究領域提案型)「理論計算を基盤とした生合成経路の探索と生合成リデザインへの挑戦(研究代表者:內山真伸)」、同基盤研究(B)「らせん構造をもつフタロシアニン系化合物の合成と機能開拓(研究代表者:村中厚哉)」、同基盤研究(C)「近接場光が誘起する雙極子近似を超えた光化學反応機構の解明(研究代表者:巖佐豪)」、同新學術領域研究(研究領域提案型)「分子結晶の勵起狀態と発光機構(研究代表者:巖佐豪)」、同基盤研究(C)「新たな窒素固定反応の開発(研究代表者:日隈聡士)」、科學技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業さきがけ「分子間コヒーレントエネルギー移動の時空間計測と制御(研究者:今田裕)」、同「近接場光による勵起狀態制御の理論(研究者:巖佐豪)」による支援を受けて行われました。

用語解説

解説1 走査トンネル顕微鏡(STM)

先端を尖がらせた金屬針(探針)を測定表面に極限に近づけたときに電流が流れるトンネル現象を測定原理として用いる裝置。試料表面をなぞるように走査して、その表面の形狀を原子レベルの空間分解能で観測する。探針と試料間に流れる電流をトンネル電流と呼び、トンネル電流を検出し、その電流値を探針と試料間の距離に変換させ畫像化する。STMはScanning Tunneling Microscopeの略。

解説2 シュタルク効果

分子や原子に外部電場をかけたときに、量子狀態のエネルギーが変化する効果。電場によりエネルギー準位を変化させられるため、量子系の制御に利用できる。

関連情報

 

お問い合わせ

大阪府立大學 大學院 工學研究科

教授 石原 一(いしはら はじめ)

Tel 072-254-9268 Eメール ishi[at]pe.osakafu-u.ac.jp[at]の部分を@と変えてください。
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