分子の性質を操る近接場光励起の遷移確率計算を高速化

北海道大学 大学院理学研究院・同大学 創成研究機構 化学反応創成研究拠点（ＷＰＩ－ＩＣＲｅＤＤ）の岩佐 豪 助教の研究グループは、多重極ハミルトニアンに基づいた、近接場光学遷移確率計算の高速化を達成し、ナノ領域に局在した光による選択則の解明と最適化に成功しました。分子の光励起状態を制御した光反応開発の進展が期待されます。

近接場光は、物質のすぐ近くだけに存在する特殊な光の成分です。巧みに設計された魔方陣のようなナノ構造が作る近接場光を利用することで、分子の性質を自由自在に操ることが期待されています。しかし、近接場光は普通の光とは違って空間的に局在している上に、ナノ構造の形などにも依存してその振る舞いが変わるため、近似的な理論計算が難しく、新しい理論手法が必要とされていました。この論文では、多重極ハミルトニアンに基づいた一般的な遷移確率（一般化遷移確率）の簡単な計算方法を提案しています。

この方法を使うと、近接場光を使って分子の励起状態への遷移確率をコントロールするための方法を計算することができます。一般化遷移確率の計算では、近接場光に影響を与えるナノ構造の形状、大きさ、材料などの情報をパラメーターとして考慮に入れます。そして、計算結果を元に、狙いの励起状態を実現するための近接場光を発生させるナノ構造を最適化します。実際に、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のモデルを使って、この方法がうまくいくかどうかを確かめました。この顕微鏡では、針先の位置を上下左右に動かすことで、近接場光をコントロールできます。今回の研究は、分子の特定の励起状態のみを選択的に励起するための近接場光設計技術開発への第一歩といえるでしょう。

なお、本研究成果は、日本時間２０２４年４月２６日（金）公開の「Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ」誌に掲載されます。また、今回の研究成果が高く評価され、同日付で本研究が、掲載誌のＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｃｏｖｅｒに選出されました。