【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.09】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24HK0016
利用課題名 / Title
微細加工技術を用いた光渦二色性を有する金属ナノ構造の開発
利用した実施機関 / Support Institute
北海道大学 / Hokkaido Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
電子線リソグラフィ/ EB lithography,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,電子顕微鏡/ Electronic microscope,リソグラフィ/ Lithography,フォトニクス/ Photonics,スパッタリング/ Sputtering
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
橋谷田 俊
所属名 / Affiliation
北海道大学電子科学研究所光科学研究部門極微システム光操作研究分野
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
HK-603：超高速スキャン電子線描画装置(130kV)
HK-611：多元スパッタ装置
HK-404：超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
円偏光と光渦はそれぞれスピン、軌道角運動量を有するが、これはキラルな光である。これまでキラル物質の検出には、キラル物質が左右の円偏光に対して異なる光応答を示すという性質（円二色性）がしばしば用いられてきた。近年、光渦を用いて物質のキラリティを検出する試みが行われている。しかし、光渦がどのようにキラル物質と相互作用するのか明らかではない。そこで我々は、キラル物質が左右の光渦に対して異なる光応答を示すという性質（光渦二色性）を高精度で計測可能な手法を開発し、その手法を幾何構造の対称性が異なる様々な金属微細構造に対して適用することで、構造の対称性と光渦二色性の関係性を明らかにする。
実験 / Experimental
我々が開発した左右の光渦を高速でスイッチング可能な光学系を光学顕微鏡に組み込み、また光源として波長可変レーザーを用いることで、試料の光渦二色性信号を高精度に空間分解計測できるだけでなくスペクトル計測も可能な装置を構築した。光渦二色性を示す可能性のある試料として、電子線リソグラフィリフトオフ法を用いて作製されたキラルなねじれ金ナノロッドダイマー（TND: twisted nanorod dimer）を選んだ。光渦ビームに対して単一のTNDをラスタースキャンすることで、TNDの光渦二色性信号の空間分布を得た。また、励起光の波長を25 nm刻みで750 nmから900 nmまで変えて光渦二色性信号イメージを得た。
結果と考察 / Results and Discussion
円偏光ガウスビームを励起光として用いて得られた単一のTNDの円二色性信号のイメージは、励起光の構造を反映してガウス状のパターンが観測された。円二色性信号の符号は正であり、これはTNDが左円偏光よりも右円偏光と強く相互作用していることを示している。また、励起光の波長を変えても信号の符号は変化しなかった。円偏光光渦ビームを励起光として用いて得られた光渦二色性信号のイメージは、ドーナツ状の光渦ビームの構造を反映して、ドーナツ状のパターンが観測された。ドーナツ状のパターンの光渦二色性信号の符号は円二色性信号と同様に正で、励起光の波長を変えても符号は変わらなかった。一方で、ドーナツの中心位置では波長が変わると光渦二色性信号の符号も変化した。電磁場シミュレーションでもこれを定性的に再現する結果を得た。このことから、我々は光渦に特有なキラル光学応答を観測することに成功した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Shun Hashiyada, Rapid modulation of left- and right-handed optical vortices for precise measurements of helical dichroism, Review of Scientific Instruments, 95, (2024).
DOI: 10.1063/5.0203715
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Yoshito Tanaka, Controlled radiation modes of second harmonic generation from plasmonic nanoantennas, META 2024, July 16, 2024 (Invited)
- Shun Hashiyada, Yoshito Tanaka, Rapid modulation of left- and right-handed optical vortices for precise measurements of helical dichroism, META 2024, July 16, 2024 (Invited)
- Yoshito Tanaka, Light-Powered Nanoactuators: Controlling Light Momentum with Metallic Optical Nanoelements, iCANX Talks, October 11, 2024 (Invited)
- 橋谷田俊, 田中嘉人, 軌道角運動量を持つ光渦に対するキラル金属ナノ構造の光学二色性, 日本光学会年次学術講演会Optics & Photonics Japan 2024, 2024年12月1日
- 橋谷田俊, 田中嘉人, 物質による光のスピン・軌道角運動量の散逸, 一般社団法人 日本物理学会 第79回年次大会, 2024年9月16日
- Shun Hashiyada, Yoshito Tanaka, Rapid modulation of the directions of handedness of optical vortices for precise measurements of helical dichroism, OMC 2024, April 24, 2024
- 橋谷田俊, 田中嘉人, 単一キラル金属ナノ構造をプローブとして用いた光の軌道角運動に基づく光学的キラリティの探究, 2025年第72回応用物理学会春季学術講演会, 2025年3月14日
- 渡邊 柊人, 太田竜一, 片山司, 田中嘉人, 周辺屈折率に応じて光圧方向を制御するプラズモニック構造の実現, 2025年第72回応用物理学会春季学術講演会, 2025年3月15日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件