【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

24HK0035

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）-

【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,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、これらはキラルな光である。これまでキラルな光と物質の相互作用の研究は主に円偏光が用いられてきた。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（円偏光二色性）が調べられてきた。近年、光渦とキラル物質の相互作用の研究が注目を集めている。しかし、どのようなキラル試料が左右の光渦に対して異なる光応答（光渦二色性）を示すのか明らかでは無い。そこで我々は、異方性及び３次元的な幾何構造のキラリティを有するねじれ金ナノロッドダイマー（TND: twisted nanorod dimer）に着目した。TNDは2本のナノロッドの距離でナノロッド間の電磁気学的カップリングを制御可能で、かつねじれ角でTNDのキラリティを制御可能である。本研究では、TNDの光渦二色性を調べる前段階として、異なるねじれ角を持つTNDの円偏光二色性を系統的に調べることを試みた。

実験 / Experimental

TNDは電子線リソグラフィリフトオフ法を用いて作製された。ナノロッドの長さは165 nm、幅は50 nm、厚みは60 nmとして設計した。2本のナノロッドの距離は15 nmとした。ねじれ角は0ºから90ºまで15º刻みで変えたTNDを作製した。TNDに対して入射する光と、TNDを透過した光の偏光状態を計測により決定することで、TNDの円偏光に対する応答パラメーターであるJones行列（2x2行列）を得た。このJones行列は円偏光基底で記述され、その対角項はTNDに左（右）円偏光を入射したときに透過する同じ円偏光（左（右）円偏光）の振幅と位相の変調を表しており、非対角項はTNDに左（右）円偏光を入射したときに透過する逆向きの円偏光（右（左）円偏光）の振幅と位相の変調を表している。対角項の違いに起因する円偏光応答は円偏光二色性であり、これは試料のキラリティに起因する。一方で、非対角項の違いに起因する円偏光応答は円偏光変換二色性であり、これは試料の平面における異方性と左右非対称性（２次元キラリティ）に起因する。

結果と考察 / Results and Discussion

TNDの消光スペクトルを計測したところ、波長~1.0 µmと~1.2 µmにおいてプラズモン共鳴に起因する二つのピークが観測された。TNDのねじれ角が大きくなると二つのピークの間隔が狭くなった。これらのことから二つのピークは、各々のロッドに励起される双極子型モードが形成する結合モードと反結合モードに対応すると解釈できる。ねじれ角が0ºの（キラルでは無い）TNDにおいて、Jones行列の対角成分と非対角成分の絶対値のスペクトルを計測したところ、対角成分も非対角成分も有限の値を持つが、互いにオーバーラップしていた。つまり、円偏光二色性も円偏光変換二色性もゼロであった。一方、ねじれ角が15º〜75ºの範囲では、円偏光二色性はノンゼロだが、円偏光変換二色性はほぼゼロであった。このことから、TNDは異方性を有するのにも関わらず、真にキラルな光学応答である円偏光二色性のみを示すということがわかった。

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)

1. 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
   
2. Hao-Tse Su, Optical trapping-induced crystallization promoted by gold and silicon nanoparticles, Photochemical & Photobiological Sciences, 23, 1697-1707(2024).
   DOI: 10.1007/s43630-024-00622-6
   
3. Hao-Tse Su, Enantioselectivity switch in chiral crystallization using optical trapping with gold nanoparticles, Cell Reports Physical Science, 5, 102310(2024).
   DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102310
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 渡邊柊人、自立制御型のナノ構造光圧アクチュエータに向けたプラズモニック構造の作製、卒業論文、令和7年3月4日
2. 横田裕喜、光マイクロマシンを用いたプラズモニッ クナノ構造に働く光圧計測、卒業論文、令和7年3月4日
3. 小野寺真輝、ねじれ金ナノロッド構造におけるキラリテ ィーと異方性由来の円偏光二色性の解析、卒業論文、令和7年3月4日
4. 渡邊柊人、太田竜一、片山司、田中嘉人、周辺屈折率変化に応じて光圧方向を制御するプラズモニックナノ構造、2025年第72回応用物理学会春季学術講演会、令和7年3月15日
5. 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量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、令和7年3月1４日
6. 橋谷田 俊、Paula L. Lalaguna、Malcolm Kadodwala、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、令和6年12月1日
7. 田中嘉人、人工ナノ構造が拓く新奇光圧アクチュエータ、第９回フォトニクスワークショップ「光で探る多彩な未来図」、令和6年11月14日
8. 田中嘉人、スピンや軌道の角運動量をもつ光と人工キラルナノ構造との相互作用、応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会「固体光物性研究の新潮流」、令和6年11月7日
9. Yoshito Tanaka、Light-Powered Nanoactuators: Controlling Light Momentum with Metallic Optical Nanoelements、iCANX Talks、令和6年10月11日
10. 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、令和6年9月16日
11. Shun Hashiyada、Yoshito Tanaka、Rapid modulation of left- and right-handed optical vortices for precise measurements of helical dichroism、META 2024、令和6年7月16日
12. Yoshito Tanaka、Controlled radiation modes of second harmonic generation from plasmonic nanoantennas、META 2024、令和6年7月16日
13. Shun Hashiyada、Yoshito Tanaka、Rapid modulation of the directions of handedness of optical vortices for precise measurements of helical dichroism、OMC 2024、令和6年4月24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