Ultrasensitive Nonlinear Vibrational Spectroscopy Using Light-Matter Strong Coupling

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本研究では、赤外光と分子振動の相互作用が顕著に高まった状態、すなわち「強結合」を生成する手法を提案し、数値計算と実験を通してその原理実証に成功した。特に、放射ロスが抑制された微小なプラズモン共振器を設計し、それを用いることにより、これまで報告された中で最も小さなモード体積での強結合を実現した。本成果は、振動分光の高感度化に資する点で重要な意義をもつ。赤外光と分子振動の強結合により、分光計測における信号が顕著に増強される。例えば、マイクロ流路における少数分子の高感度検出に資するだろう。本成果は、化学反応制御の新たな可能性を提供する点でも重要な意義をもつ。分子振動を電磁場と強く相互作用させると、対象とする分子振動モードの基準座標に沿って、ポテンシャル曲面の形状が変化するため、特定の化学反応を促進あるいは抑制することが可能になるのである。以下、成果の詳細を記す。１）高Q値のプラズモン共振器：金属-分子膜-金属というサンドイッチ構造を採用することにより、対象分子を閉じ込めた微小かつ高Q値の共振器を設計した。２）真空ラビ分裂の観測：ポリメタクリル酸メチル樹脂のCO伸縮振動モードを対象とし、反射スペクトルを計測したところ、共振器と分子振動の共鳴が分裂した新しい共鳴構造（エネルギー分裂量＞100 cm-1）が確認された。また、顕微反射分光法により、この強結合が単一プラズモン共振器によって達成されていることを確認した。３）ナノスケール共振器がもたらす効果：厚みの異なる共振器でのラビ分裂量から、厚み10ナノメートル以下でも強結合を達成できることを見出した。また、結合強度が電磁場と分子の空間的重なりの度合いによって決まること、金属表面の鏡像電荷が結合強度を増大させることを明らかにした。以上の成果をThe Journal of Physical Chemistry Letters誌に発表した。