超広帯域電気光学効果を用いた新規超高速走査型プローブ顕微鏡法の確立

電気光学(EO)効果は電場の印加により生じる非線形分極を介して物質の屈折率が変化する現象であり，フェムト秒(1 fs = 10^-15 s)の応答速度を持つため超短パルス光の計測に用いられている．また，100 THz(1 THz = 10^12 Hz)を超える極めて広帯域な電場応答特性を持つEO結晶も存在する．本研究は，EO効果の優れた高速性と電場応答特性を利用した新規超高速原子間力顕微鏡(AFM)，EO-AFMを開発することで，従来の超高速AFMの時間分解能の限界を越えた計測が可能な技術を確立することを目的としている．当該年度では，EO結晶の加工によりAFM探針を成形する手法を確立した．具体的には，集束イオンビーム(FIB)により約70 THzの広帯域性を持つとされるGaP結晶を加工し，先端半径が約1 μmのピラミッド型探針が得られている．また，パルス時間幅の増大を回避するため反射鏡の組み合わせで構成された対物レンズを使用し，時間分解反射率変化信号によりGaPのEO効果に伴う屈折率変化がパルス時間幅(約30 fs)で実現されていることを確認した．さらに，対物レンズを用いた顕微鏡視野下における超高速分光により照射効果を調べることに成功し，その成果をPhys. Rev. Applied誌，および，国内学会にて発表した．この論文では，カンチレバー表面に蒸着されているアルミニウム薄膜における過渡反射率変化について議論しており，顕著なレーザー光照射位置の依存性を，マイクロメートルの寸法を持つカンチレバーで起こり得る，数百Kを越える温度上昇によるアルミニウムのバンド間遷移閾値の変化によるものと結論づけた．これにより，超高速AFMで行うフェムト秒レーザー光照射による光熱効果を評価するための物理モデルが確立され，新規超高速AFMの開発の推進につなげることができた．

電気光学(EO)効果は電場の印加により生じる非線形分極を介して物質の屈折率が変化する現象であり，フェムト秒(1 fs = 10^-15 s)の応答速度を持つため超短パルス光の計測に用いられている．また，100 THz(1 THz = 10^12 Hz)を超える極めて広帯域な電場応答特性を持つEO結晶も存在する．本研究は，EO効果の優れた高速性と電場応答特性を利用した新規超高速原子間力顕微鏡(AFM)，EO-AFMを開発することで，従来の超高速AFMの時間分解能の限界を越えた計測が可能な技術を確立することを目的としている．当該年度では，EO結晶の加工によりAFM探針を成形する手法を確立した．具体的には，集束イオンビーム(FIB)により約70 THzの広帯域性を持つとされるGaP結晶を加工し，先端半径が約1 μmのピラミッド型探針が得られている．また，パルス時間幅の増大を回避するため反射鏡の組み合わせで構成された対物レンズを使用し，時間分解反射率変化信号によりGaPのEO効果に伴う屈折率変化がパルス時間幅(約30 fs)で実現されていることを確認した．さらに，対物レンズを用いた顕微鏡視野下における超高速分光により照射効果を調べることに成功し，その成果をPhys. Rev. Applied誌，および，国内学会にて発表した．この論文では，カンチレバー表面に蒸着されているアルミニウム薄膜における過渡反射率変化について議論しており，顕著なレーザー光照射位置の依存性を，マイクロメートルの寸法を持つカンチレバーで起こり得る，数百Kを越える温度上昇によるアルミニウムのバンド間遷移閾値の変化によるものと結論づけた．これにより，超高速AFMで行うフェムト秒レーザー光照射による光熱効果を評価するための物理モデルが確立され，新規超高速AFMの開発の推進につなげることができた．