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近接場光






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近接場光
近接場光学の開拓者・大場元一氏
(大津元一・東京工業大学大学院教授)
  • 近接場光は、光が当たった物質の表面近くに発生し、遠くには広がらない特殊な光。
  • 細い光ファイバーや金属針の先端では、線香花火のように発生する。
  • 照射した光の粒(光子)に、物質の表面にある電子が結合して現れる。
  1. 光学の歴史が始まってから最近までの数世紀もの間、光を波長の寸法より小さく絞り込むことは、乗り越えることの出来ない大きな壁と考えられてきた。光を使って物質や生体を観察したり加工したりしても、精度は波長以下にはならなかった。
    • 1980年:波長より小さな空間に光を閉じこめる研究に着手。
      1996年:近接場光学顕微鏡で世界最高の[0.8nm]の分解能を達成。
    • 従来の光学顕微鏡の1000倍の倍率。
      1. 物質の表面に薄くまとわりつく光。
      2. 物質の寸法に依存し、元の波長には依存しない光
  2. 表面に沿って進む光
    光を絞ろうとしても波長以下に小さくならないのは、光には狭い場所に閉じこめようとすると逆に広がってしまう性質があるからで、回折限界と呼ばれる。穴を波長程度に小さくして光を通しても、通過後は大きく広がってしまい、工学的な利用価値がなくなる。
    波長よりも小さな球に光を照射すると大部分は通過するが、実際には球の表面がほのかに光る。この光は反射光ではなく、球の鉛直方向には進まないで表面に沿って伝わる性質があり、表面から球の寸法程度までしか届かない。最先端の電子顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡(STM)などは分解能がさらに高いが、試料を真空中に置いたり、試料に金属膜を漬けて導電性にする必要がある。近接場光学顕微鏡では電気を通さない絶縁物や生物でも、空気中や水中でも観察出来る
  3. 物体の表面近くだけに存在でき、通常の光とは異なる性質をもつ特殊な光。
    金属針の先端や細く加工した光ファイバーなど、ナノメートルサイズの微少構造に光を導いて発生させる。
    目に見える光りのように物体から離れて遠くに伝わることはできないが、波長を通常の光より極端に短くできる
  4. 近接場光は、金属針の先端や材料の凸凹部分などに光を当てた際に物質表面にまとわりついたり、細い場所からにじみ出たりする特殊な光。
    最長で100ナノbしか飛ばない






顕微鏡 測定の原理 分解能 特徴
電子顕微鏡 電子線を使って物質の密度を観察 0.1〜数ナノb 真空中で観察する必要がある。
試料が傷みやすい
光学顕微鏡 目に見える波長の光を試料に当てる 300ナノb 生きたまま観察できる
分解能が低い
近接場光学顕微鏡 近接場光をあてて分子構造を観察 1〜数ナノb タンパク質の分子構造が観察できる








近接場光を太陽電池に応用
  • 太陽光には様々な波長の光が含まれる。
  • 近赤外光は太陽光エネルギーの約1/3を占める。
  • 2014年、北海道大学の三沢弘明教授らは、近赤外光を効率よく吸収し、電気エネルギーに変換できる素子を、安価なアルミニウムで開発した。

近接場光学顕微鏡
  • 2009年、大阪大学の河田聡教授らは、病気の原因となるタンパク質の構造やウイルスが増殖する仕組みも分かる高性能な光学顕微鏡を開発した。
    「近接場光」を使うため、分解能が従来の光学顕微鏡の10倍以上で、1ナノbサイズが観察できる。

LSI(大規模集積回路)は、電子によって動く。
  • そんな常識を大津元一・東京大学教授が覆した。2010年8月、室温でLSIの基本機能であるスイッチ機能を光だけで実現した。
    近接場光を応用したもので、現在のLSIより遙かに高速化が可能になる。
    2カ所の近接場光の相互作用で光の通路を開閉してオン・オフする原理を考案して実証した。
    近接場光は物質の表面近くで発生し、最長でも100ナノbぐらいしか広がらない特殊な光。光の最小単位である粒(光子)1個に物質中の電子1個が結合して動きの範囲を狭める。

シリコンで受光素子
  • 2012年、東京大学の研究チームは、光通信の受光素子に用いるフォトダイオードを、安価なシリコンを使って作製する技術を近接場光を使って開発した。
    開発したのは大津元一教授、川添忠特任主幹研究員、大学院生の田中肇氏ら。
    シリコン基板にホウ素を注入し、レーザー光で表面に微細な穴を開けた。それに光が当たると、受けた光より波長の短い近接場光が発生する。
    シリコンは通常、1.1µm以下の短い波長の光しか吸収できないが、新技術では、シリコン基板に1.3µmのレーザー光を1時間当てて、数µmの深さまでホウ素を拡散させた。光通信用の1.3µmの光を効率よく電気に変換できるのを確かめた。

面積を大型に
  • 2010年、物質・材料研究機構は11/22、高精度な計測などに利用が期待される特殊な光「近接場光」の光源を大面積化する技術を開発した。
    従来は小さな点状の光源だった。
    これを1平方abの基板に敷き詰めた面状の光源を作った。
    近接場光は、光をその波長よりも微小な物質構造に当てたとき、その物質表面に発生する特殊な光。たとえば、直径10ナノbの金属粒子の場合、粒子表面から10ナノb程度の範囲に生じる。




紙幣偽造・・・近接場光で防ぐ
  • 2009年、東京大学の大津元一教授らと大日本印刷は、紙幣やクレジットカードの偽造を防ぐ新技術を開発した。
    現在偽造防止に使われている「ホログラム」を改良した。
    ホログラムの表面に50ナノbという小さな溝を刻む。この溝を近接場光で暗号として読み取れる。









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