自然科学研究機構 分子科学研究所,東京大学,理化学研究所,総合研究大学院大学,科学技術振興機構（JST）

2025（令和7）年6月19日

自然科学研究機構 分子科学研究所
東京大学
理化学研究所
総合研究大学院大学
科学技術振興機構（JST）

カーボンナノチューブと光の局所的な相互作用を可視化

～精密ナノ赤外顕微分光で見る励起子の超高速ダイナミクス～

ポイント

分子科学研究所の西田 純 助教、湊 丈俊 主任研究員、熊谷 崇 准教授らの研究グループは、東京大学の大塚 慶吾 助教、理化学研究所 開拓研究所の加藤 雄一郎 主任研究員（光量子工学研究センター チームディレクター）らとの共同研究により、カーボンナノチューブ（以下CNT）に光を当てた時に生じる励起子という量子的な粒子の動的な挙動を、従来の手法では達成が困難だった時空間分解能で観測することに成功しました。この成果は、超高速赤外近接場光顕微鏡と呼ばれる最先端の装置を用いることで実現されました。この装置は、フェムト秒オーダーの極めて短い赤外パルス（赤外フェムト秒パルス）を、ナノメートルスケールの極めて小さな空間に集光することにより、光と物質の相互作用を局所的に高感度で観測できる計測技術です。

CNTは直径約1ナノメートルの極めて細い半導体ワイヤとして、優れた電気・光学特性を持つことから、次世代のナノエレクトロニクスや光デバイスの基盤材料の1つとして注目されています。光を照射すると、CNT内では励起された電子と正孔が静電的に結合して励起子と呼ばれる準粒子が形成されます。この励起子の生成・移動・消滅といったダイナミクスは、CNTの光吸収や発光、キャリア輸送など光電特性に深く関わっていますが、その典型的な時間スケールがフェムト秒～ピコ秒、空間スケールが数ナノメートルと極めて小さいため、従来の光学顕微鏡や時間分解測定法では、空間・時間の両面から同時に観測することが難しいという課題がありました。

今回の研究では、励起子が赤外光と相互作用する性質に着目し、可視光パルスで生成した励起子を赤外フェムト秒パルスの近接場光ポンプ・プローブ信号でプローブすることにより、励起子のダイナミクスをナノスケールで直接観測しました。これによって、CNT内部の微細な構造歪みや、複数のCNTが束状に集まったバンドル構造によって、励起子の動的な挙動、特に緩和時間が大きく異なることを明らかにし、ナノスケールの局所環境が励起子の生成と消滅に与える影響を解明しました。

さらに、赤外近接場光と励起子との相互作用のメカニズムについて理論モデルを構築し、数値シミュレーションによって実験データを定量的に再現できることを確認しました。これにより、超高速赤外近接場光顕微鏡で得られるデータを解釈するための理論的枠組みも構築されました。

この成果は、励起子の超高速現象をナノスケールで高精度に観測・解析する新しい道を開くものであり、将来的にCNTを活用した超高速・高機能なナノデバイス開発や量子情報技術の実現に向けた基盤になると期待されます。

本研究成果は、国際学術誌「Science Advances」に、2025年6月18日付（現地時間）でオンライン掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構（JST） 創発的研究支援事業「時空間極限における革新的光科学の創出（JPMJFR201J）」、日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業（JP24H01209、JP22K14653、JP24K01443、JP22H01411、JP23H00262）、自然科学研究機構 先端光科学研究分野（01213008）、文部科学省 「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（課題番号 JPMXP1223MS5036、JPMXP1224MS5004）の支援を受けて実施されました。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Ultrafast infrared nano-imaging of local electron-hole dynamics in CVD-grown single-walled carbon nanotubes”
DOI：10.1126/sciadv.adv9584

＜お問い合わせ先＞

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