オプトメカニクスに基づく高感度・広帯域な核磁気共鳴測定法の開発

基于光力学的高灵敏宽带核磁共振测量方法开发

• 批准号: 20J14033
• 负责人: 冨永 雄介
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyoto University
• 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 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J14033/
• 关键词: オプトメカニクス; NMR; ハイブリッド量子系; 高感度化

本年度の成果は主に以下の二つである．第一に，機械振動子を組み込んだ光共振器を安定化したことである．光-機械結合を強化するためには，共振器に入射するレーザーパワーを強くする必要があるが，鏡として薄膜上に蒸着した金属を用いると，レーザーの一部は金属に吸収され，熱に変換される．そのため，光を強くすると光共振器が不安定化し，高感度な信号検出やレーザー冷却を妨げることになる．本研究では，薄膜上に蒸着金属ではなく，メタサーフェスと呼ばれる構造を組み込みこれを鏡として用いることで，鏡による光の吸収を小さくした．メタサーフェスとは，レーザーの波長程度の周期で穴を開けた構造であり，特定の波長の光を高い反射率で反射することができる．この結果，薄膜の振動測定を長時間，安定的に行えるようになったことを実験的に示した．さらに，電気-機械-光結合を解して電気信号を光変換した．この成果はApplied Physics Expressに掲載された．第二に，小型な電気-機械-光変換モジュールを自作し，超伝導磁場中に系を構築したことである．通常，光学系は安定に組むために大型の定盤上でアライメントされるが，本研究では化学分析で用いられる核磁気共鳴法（NMR)への応用を考えて，超伝導磁場内の限られた空間でアライメントできる機構を備えた電気-機械-光結合系を設計した．作成した装置を用いて実際にINEPT法によって磁化を移動した炭素13のNMR信号を取得することに成功した．この成果はAnalystに掲載され，Analyst HOT Articles 2022に選ばれた．これまでオプトメカニクスは物理学的観点から研究されてきたが，以上の一連の研究は，高感度な化学分析手法への応用の道を開いたといえる．

The <s:1> main achievements of this year に are as follows: である である である. First, に, mechanical vibrator を group み込んだ optical resonator を stabilization, <s:1> た とである とである とである. を light - mechanical combination strengthening す る た め に は, resonator に incident す る レ ー ザ ー パ ワ ー を strong く す る necessary が あ る が, mirror と し て membrane に steamed し た metal を with い る と, レ ー ザ ー の a は metal suction 収 に さ れ, hot に variations in さ れ る. そ の た め, strong light を く す る と optical resonator が unrest し, な signal 検 Gao Gan degrees out や レ ー ザ ー cooling を hinder げ る こ と に な る. This study で は, membrane に steamed metal で は な く, メ タ サ ー フ ェ ス と shout ば れ る を group み 込 み こ れ を mirror と し て in い る こ と で, mirror に よ る light の 収 を small さ く し た. メ タ サ ー フ ェ ス と は, レ ー ザ ー の level の wavelength で open hole を け た tectonic で あ り, specific の を い high reflectance で reflected wavelength の す る こ と が で き る. The <s:1> <s:1> results showed that the film <s:1> vibration measurement を for a long time, stable に performance えるようになった とを とを experiment に showed た た. Youdaoplaceholder0, electrical-mechanical-optical combination を to solve て electrical signal を optical conversion <s:1> た. The <s:1> <s:1> achievement Applied Physics Expressに is published in された. Second に, small electric 気 な - mechanical - light - in モ ジ ュ ー ル を since し, super 伝 に in magnetic field is を build し た こ と で あ る. Usually, light は stability に group, department of む た め に large の fixing on で ア ラ イ メ ン ト さ れ る が, this study で は で chemical analysis with い ら れ る nuclear magnetic 気 method of resonance (NMR) へ の 応 tested え in を て, super 伝 magnetic field の limit ら れ た space で ア ラ イ メ ン ト で き る institutions を prepared え た 気 - mechanical - light according to the design department を し た. Made し を た device with い て be interstate に INEPT method に よ っ て magnetization を mobile し た carbon 13 を の NMR signal obtained す る こ と に successful し た. The に に results of the され Analystに published in され, Analyst HOT Articles 2022に selected ばれた. こ れ ま で オ プ ト メ カ ニ ク ス は 観 point of physics か ら research さ れ て き た が, above の for の research は Gao Gan degrees な chemical analysis technique へ の 応 out using の way を い た と い え る.

项目成果

High efficiency rf-to-light conversion through improved electromechanical coupling for NMR detection

通过改进机电耦合实现 NMR 检测的高效射频到光转换

• 发表时间: 2020
• 作者: Yusuke Tominaga;Kazuyuki Takeda
• 通讯作者: Kazuyuki Takeda

An electro-mechano-optical NMR probe for 1H-13C double resonance in a superconducting magnet

用于超导磁体中 1H-13C 双共振的机电光核磁共振探针

• DOI: 10.1039/d2an00220e
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Analyst
• 作者: Tominaga Yusuke;Takeda Kazuyuki
• 通讯作者: Takeda Kazuyuki

Heating-free, room-temperature operation of a radiofrequency-to-light signal transducer with a membrane oscillator and a built-in metasurface mirror

具有薄膜振荡器和内置超表面镜的射频光信号传感器可在室温下免加热运行

• DOI: 10.35848/1882-0786/ac3e15
• 发表时间: 2021
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Yusuke Tominaga;Atsushi Mikami;Akiya Iwamura;Koji Usami and Kazuyuki Takeda
• 通讯作者: Koji Usami and Kazuyuki Takeda

核磁気共鳴のレーザー検出器の小型化に成功―量子技術による化学分析の道を開拓―

成功实现核磁共振激光检测器的小型化 - 开创了利用量子技术进行化学分析的道路 -

ハイブリッド量子技術を用いた高効率なラジオ波－光変換によるNMR信号検出

使用混合量子技术通过高效无线电波-光转换进行核磁共振信号检测

• 发表时间: 2021
• 作者: 山本かおり;本川佳子;平野浩彦;小原由紀;枝広あや子;稲垣宏樹;新開省二;粟田主一;渡邊裕;冨永雄介，武田和行
• 通讯作者: 冨永雄介，武田和行