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大津局在フォトンプロジェクト
(中間報告)

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総括責任者
(現職)
大津元一(東京工業大学大学院総合理工学研究科・教授)
研究実施期間 平成10年10月〜平成15年9月

 

I.研究の概要

 本プロジェクトでは光技術のブレークスルーを実現するために、光の回折限界を越えたナノメートル寸法領域にエネルギーが集中する光、すなわち近接場光を作り、その実体を研究し、応用することを目標としている。この目標に到達するために本プロジェクトを3つのグループから構成した。「理論解析グループ」は近接場光およびナノメートル寸法物質からなる系を巨視的な物質系に囲まれた微視的な系としてとらえ、共鳴相互作用をも記述するための量子論を展開する。これは他の2グループの研究のための実験系の設計指針を与える。「ナノフォトニクスグループ」は近接場光を発生、検出するデバイスの開発、近接場光と物質との局所的共鳴相互作用を用いた新物質創製、創製されたナノメートル寸法物質による光機能の発現とその光デバイス化を行う。さらにこのデバイスを組み合わせたナノ光集積回路構成の可能性およびこれを用いた21世紀の大容量・高速情報通信、情報記録システムへの応用の可能性を探る。「アトムフォトニクスグループ」は近接場光と原子との共鳴相互作用を利用して真空中を飛行する原子の熱運動をナノメートル寸法精度で制御すること、すなわち原子の飛行方向を偏向し、原子を捕獲することを試みる。さらにこのようにして制御された原子を物質上に堆積する可能性を探る。上記の3グループは相互に有機的に協力する。
 以上をもとに光のナノテクノロジーである近接場光の研究を推進するが、目標を達成するための研究開発項目は基礎から応用まで、また理論、実験両面にわたり非常に広いので、分野横断的、学際的協力が不可欠である。そこで3グループを同一の研究拠点に配備し、日常的に相互協力が有効に行えるよう組織する。また、本プロジェクト外の研究者、技術者との情報交換を積極的に行う。このような体制のもとで近接場光研究を推進し、光科学技術のパラダイムシフトを実現することを目指す。

II.研究体制と参加研究者

◆ 研究体制 (平成13年11月現在)
理論解析グループ(東京都町田市/天幸ビル17内)
【近接場光およびナノメートル寸法物質からなる系を巨視的な物質系に囲まれた微視的な系としてとらえ、共鳴相互作用をも記述するための量子論の展開】
研究員数:小林潔、他1名
ナノ・フォトニクスグループ(東京都町田市/天幸ビル17内)
【近接場光の発生・検出デバイスの開発。近接場光を用いた新物質の創製。創製されたナノメートル寸法物質による光機能の発現と、そのデバイス化および集積化】
研究員数:八井崇、他5名
アトム・フォトニクスグループ(東京都町田市/天幸ビル17内)
【近接場光と原子との共鳴相互作用を利用原子の熱運動のナノメートル寸法制御。制御された原子の物質上への堆積の可能性の検討】
研究員数:戸塚弘毅、他1名

◆参加研究者(グループリーダー、研究員)  ( )内は発足時からの通算
企業 大学・国研等 外国人 個人参加 総計
1(1) 0(0) 3(5) 4(4) 8(10)

III.研究成果の概要(平成13年11月現在)

◆特許出願件数
国内 海外
◆外部発表件数
国内 19(論文: 0、総説・書籍: 7、口頭発表: 12)
海外 84(論文:13、総説・書籍: 3、口頭発表: 68)
103(論文:13、総説・書籍:10、口頭発表:80)

【発表主要論文誌】
Phys. Rev. Lett. / Phys. Rev. A / Appl. Phys. Lett. / Jpn. J. Appl. Phys. / Optical Rev./ Optics Lett.

主な研究成果

A.理論解析グループ
1) 光近接場システムは巨視的な系と微視的な系とが光を介して結合しているが、我々は射影演算子法を用いて微視的な系の有効相互作用という形でこれを定式化した。その結果として,微視的な系のプローブチップと試料間には湯川関数であらわされる有効相互作用が働くことがわかった。
2) 上記の理論展開の1つとしてアトムフォトニクスグループとの連携により、近接場光による単一原子操作(偏向/捕獲)の問題の解析を試み、プローブ球の半径を10 nmとしたときRb原子は光近接場ポテンシャルとして直径程度の位置に20 neV程度の深さを持つ井戸型ポテンシャルを感じることを明らかにした。
3) ナノ・フォトニクスグループとの連携により,ナノメートル寸法の量子ドットを組み合わせて機能的にもっとも重要であると考えられる光スイッチが動作可能かどうか,可能ならばどの程度のスイッチ速度が期待できるかを検討した。これから実験的に期待されるスイッチ動作と速度が得られた。

B.ナノフォトニクスグループ
1) 近接場プローブの高性能化を行い、押しつけ法によるファイバプローブの開口作製、水銀アマルガム化によるファイバプローブ金属遮光膜の改良、アルミニュウム金属遮光膜化による開口作製とプローブ強度の向上、突起型シリコンプローブおよび中空型シリコンプローブの開発を行った。
2) 近接場光によって動作するナノ寸法光スイッチ用材料の作製及び基礎光物性を測定した。具体的にはファイバプローブによる第二高調波発生測定、非共鳴光を用いた光化学気相堆積法、量子ドットを用いた近接場光スイッチおよび近接場光を介した双極子禁制準位へのエネルギー移動、酸化亜鉛ナノ微粒子の堆積及び結晶性の評価、シリコンナノ微結晶の作製及び評価を行うことができた。
3) ナノフォトニクスデバイスと出力信号との変換素子としてのプラズモン導波路を開発した。

C.アトムフォトニクスグループ
1) 近接場光を用いた原子操作法を研究するために、シリコン結晶基板加工により原子偏向器、原子検出器を開発した。また、原子偏向実験用超高真空システムを製作した。また原子トラップのためにトラップ用ファイバプローブを開発し、実験との比較によりトラップポテンシャルを評価した。
2) 近接場光操作用冷却原子源を開発するために、近接場光を用いた原子ファネルを製作し、またこれに用いるためのレーザ冷却原子を生成した。これらを組み合わせて、ファネル内原子反射を観測することができた。また、今後の実験のために原子ファネル用超高真空システムを製作し、励起に必要なドーナツ型中空光ビームを形成した。


This page updated on November 5, 2002
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