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人工物質「ナノ原子」の光応答を100兆分の1秒の時間分解能で可視化筑波大学

 近年,「メタマテリアル」と呼ばれる人工物質群の研究が急速に進んでいる。これらは,光の波長よりも小さな光共振器や光アンテナを多数並べた配列構造により,自然物質にはない,新しい光学的機能をもっており,平面型レンズや反射防止膜,発光・受光素子などの光デバイス開発に応用されている。メタマテリアルを構成する光共振器や光アンテナの一単位を「メタ原子」と呼ぶ。金属型のメタ原子では,電子と光の結合波(表面プラズモン波)が構造体にまとわりつくように励起されることで巨大な分極が生じ,光に対し非常に強い応答を示す。このような,メタマテリアルの動作原理を根本的に解明し,デバイスの精緻な設計を実現するためには,メタ原子一つひとつの光応答の高精度な観察が必要である。
 今回,筑波大学の研究グループは,同グループが開発したフェムト秒レーザー励起二光子蛍光顕微鏡法を用い,メタ原子の1つであるナノ光共振器(構造長約100 nm)に表面プラズモン波束が入射し,相互作用を経て通り抜ける様子を,100兆分の1秒の時間分解能で可視化することに成功したと発表した。
 ナノ共振器を通り抜けた表面プラズモン波束には±数µmの強度ピーク位置のシフトが観察され,通り抜けに伴う共鳴的な相互作用が波束の空間形状を変形する効果が確認された。このピークシフトは,共振器の構造長,もしくは,波束を励起する光パルスの調整により制御できる。本研究成果により,メタマテリアルの進歩と,それによる新規光デバイス開発のさらなる加速が期待される。

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