新奇物性開拓に向けた真空中の超低温ナノ粒子系の実現

本研究の目的は、ナノサイズの固体試料を真空中にレーザーで捕捉し、その内部温度を超低温まで冷却する新しいタイプの冷凍機を実現することにある。今までにないこのような技術を創出するため、本研究ではまず真空槽とその中に入射するレーザー光を分配する光学系、およびナノ粒子を観測するための光学系からなるプロトタイプの装置を製作した。従来研究では、ナノ粒子の材質としてシリカ(SiO2)を用いたものがほとんどであったが、本研究では粒子内部の温度を評価するために、フォトルミネッセンス分光のしやすいバンドギャップの小さな材質からなる粒子を扱う。この場合、トラップ光の波長がバンドギャップと近くなり、トラップ光を散乱しやすくなることから、トラップ可能であるかどうか未知であったが、本研究により、シリカではない5つの材質のナノ粒子をトラップできることを初めて示した。これにより、装置として様々な材質の粒子を扱えることを示すと共に、フォトルミネッセンス分光による粒子内部の温度測定という目的にむけた重要な基盤が得られたことになる。また、本研究を進める中で、ナノ粒子の安定した捕捉には、入射ビームをミラーで打ち返す必要があることを見いだした。これは、打ち返しにより光格子が形成されてトラップ光の作り出すポテンシャルが4倍の深さになると共に、粒子がトラップ光の散乱により一方向から受ける力をほぼ除去できるためであると考えられる。光格子という従来研究にない特徴の結果、複数の粒子が光格子の異なる位置に別々に捕捉されることを見いだしたこれらの結果を踏まえ、ナノ粒子の内部状態の冷却の予備段階として不可欠な重心運動の冷却に向けて、その鍵となるナノ粒子の運動の直接観察に成功した。

本研究の目的は、ナノサイズの固体試料を真空中にレーザーで捕捉し、その内部温度を超低温まで冷却する新しいタイプの冷凍機を実現することにある。今までにないこのような技術を創出するため、本研究ではまず真空槽とその中に入射するレーザー光を分配する光学系、およびナノ粒子を観測するための光学系からなるプロトタイプの装置を製作した。従来研究では、ナノ粒子の材質としてシリカ(SiO2)を用いたものがほとんどであったが、本研究では粒子内部の温度を評価するために、フォトルミネッセンス分光のしやすいバンドギャップの小さな材質からなる粒子を扱う。この場合、トラップ光の波長がバンドギャップと近くなり、トラップ光を散乱しやすくなることから、トラップ可能であるかどうか未知であったが、本研究により、シリカではない5つの材質のナノ粒子をトラップできることを初めて示した。これにより、装置として様々な材質の粒子を扱えることを示すと共に、フォトルミネッセンス分光による粒子内部の温度測定という目的にむけた重要な基盤が得られたことになる。また、本研究を進める中で、ナノ粒子の安定した捕捉には、入射ビームをミラーで打ち返す必要があることを見いだした。これは、打ち返しにより光格子が形成されてトラップ光の作り出すポテンシャルが4倍の深さになると共に、粒子がトラップ光の散乱により一方向から受ける力をほぼ除去できるためであると考えられる。光格子という従来研究にない特徴の結果、複数の粒子が光格子の異なる位置に別々に捕捉されることを見いだしたこれらの結果を踏まえ、ナノ粒子の内部状態の冷却の予備段階として不可欠な重心運動の冷却に向けて、その鍵となるナノ粒子の運動の直接観察に成功した。