ナノ空間に局在するプラズモン反応場の角運動量状態制御

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光がもつ角運動量として、スピン(円偏光)に加えて軌道成分が見いだされ、新たな光制御の可能性が議論され始めている。光のスピンと軌道角運動量が、電子の各角運動量に等価であれば物質中の電子の角運動量状態を光により操作することが可能になる。例えば、軌道成分が加わることで、光の角運動量自由度はスピンの±1 に加え任意の整数値に拡張される。これにより、電子遷移における選択律の角運動量保存の制限が変化し、従来は禁制とされた遷移が許容となることが理論的に示唆された。しかし、光の軌道角運動量が電子遷移に作用するには光と電子の波動関数が一致する必要があり、これが当分野の大きな障壁となっている。本研究では、電子の波動関数に迫るナノ空間に局在する金属表面プラズモンの角運動量状態を自在に制御するプラズモン反応場の検討と作製評価を行った。1．プラズモニック結晶による効率的光反応場の創成ナノメートルサイズの四つの三角形をクローバー状に配置したプラズモン四量体の中心部には、全角運動量が2に対応する四重極子の電磁場が生成する。この四量体を、正方格子プランズモニック結晶で取り囲む構造、および四量体を周期的に配置する構造により、入射光エネルギーを効率的に四重極子の電磁場へ与えることが出来ることが分かった。2．サンプル作製と反応場状態の評価電子ビーム描画装置および金属薄膜形成・剥離プロセスにより作製し、一辺200nm程度の三角形を対角50nm離してクローバー状に並べた四量体を実現した。これを直径300nm程度の円板からなるプラズモニック結晶で囲む構造、および四量体を多数並べる構造も実現した。今後は、四重極子の電磁場モードの詳細な共鳴スペクトルを測定可能とすることで、究極的な目標である「光の角運動量で電子の角運動量状態を制御する」物理系を実現したい。