円偏光磁気力顕微鏡によるキラルなナノ構造体の光と磁気の相互作用の解明

使用圆偏振磁力显微镜阐明手性纳米结构中光与磁之间的相互作用

• 批准号: 20J00160
• 负责人: 山西 絢介
• 金额: $ 3.33万
• 依托单位: Institute for Molecular Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J00160/
• 关键词: 円偏光; 磁気力顕微鏡; 光誘起力顕微鏡; 逆ファラデー効果

本研究の目的は、ナノ構造体に円偏光の光を照射することで生じる磁場を磁性探針に働く力として観測することで、光と磁気の関係をナノスケールで明らかにすることである。そのために、様々な光を導入できる原子間力顕微鏡の開発を行った。初めに、探針と試料の熱膨張の問題を解決する測定手法であるヘテロダインFM法を実現する変調系および測定系の開発に成功した。また、特に信号検出系の改良に注力した。具体的に行った信号検出系の改良は、力検出器の変位を測定する光検出器、ＩＶ変換器、演算回路などの検出系である。その結果、４ＭＨｚ程度の広い帯域を持ち、従来の３分の１の測定ノイズである信号検出系を実現した。これによって、より高感度に磁気力を可視化し、探針と試料の熱膨張の問題をより高精度に取り除くことができる。開発した円偏光磁気力顕微鏡を用いて、金ナノ構造体に円偏光を照射して生じる磁場の観測を試みた。実際に観測されたのは探針-試料間の電気双極子間の相互作用力であり、磁気双極子間の力を観測することはできなかった。また、より強い磁場勾配を生み出す金ナノ微粒子を試料としての測定も試みたが、信号が検出されるほどの強い光強度では、微粒子が発熱によって溶けてしまい、強い磁場勾配を維持することができなかった。今後は、発熱に強く、強い磁場勾配を維持することができるシリカコートされた金ナノ微粒子に対して観測を行う。また、探針も通常の探針より厚く磁気コートされたものを用いることで、磁場観測の検出感度を上げることを試みる。

这项研究的目的是通过观察通过将圆形极化光照射到纳米结构上产生的磁场来阐明纳米级对纳米级的磁性之间的关系，这是作用在磁探针上的力。为此，我们开发了一种原子力显微镜，可以引入各种光。首先，我们成功地开发了调制和测量系统，该系统实现了杂尼FM方法，这是一种解决探针和试样热膨胀问题的测量方法。此外，我们专注于改善信号检测系统。具体而言，在检测系统（例如光电探测器，IV转换器，算术电路等）中，对信号检测系统的改进进行了改进，该系统测量了力检测器的位移。结果，信号检测系统的宽带约为4 MHz，是常规测量噪声的三分之一。这样可以使更灵敏的磁力可视化，并且可以更准确地去除探针和样品的热膨胀问题。使用开发的圆极化磁力显微镜，我们试图观察到通过将圆极化光照射到金纳米结构上而产生的磁场。实际观察到的是探针样本和电偶极子之间的相互作用力，并且不可能观察到磁偶极子之间的力。此外，我们还试图测量产生更强磁场梯度的金纳米颗粒作为样品，但在可以检测到的强光强度下，由于热量产生，颗粒将融化，并且无法维持强磁场梯度。将来，我们将对二氧化硅涂层的金纳米颗粒进行观察，这些金纳米颗粒具有耐热性并可以维持强烈的磁场梯度。此外，通过使用磁性涂层的探针大于正常探针，它可以尝试提高磁场观测值的检测灵敏度。