第47回 東レ科学振興会科学講演会記録
平成9年9月30日 東京 有楽町朝日ホール

光で見えないものを光で見る、
あやつる、加工する

東京工業大学大学院
総合理工学研究科・教授

大津東京工業大学の大津でございます。どうぞよろしくお願いいたします。

元一

構成要素である原子をあやつる話をしてまとめさせていただきたいと思います。

伊賀先生のお話は、非常に豊かな発想に基申し遅れましたけれども、私は東京工業大

づきまして着実なご努力をなされた結果、産学で教えておりますが、同時にこういった研業界の大きな分野を開かれた業績のご紹介で究は、財団法人の神奈川科学技術アカデミー

したが、これからの私の話は、まだ技術の成で、ここ何年間かやらせていただいておりま

長段階でいいますと、幼稚園から小学校１年して、それも含めたご紹介ということをさせ生ぐらいのところになったかなという話ですていただければと思っております。

ので、まだ不確かなところもありますが、将まず、それでは原理的なお話をします。

来もあるだろうということで、気楽にお聞き

最初は、伊賀先生がお話しになったことのになってくだされば結構です。

復習になります。まず、いままでのお話で出「光で見えないものを光で見る、あやつる、てきた光というのは、要するに広がるもので加工する」というタイトルは、実は伊賀先生

す。光は電波の親戚ですけれども、たとえばの先ほどのお話とあわせてご説明しますと、レーザから出てきた光は、広がって遠くまで広がったり集まろうとする性質を持つ光を使飛んで行きます。それはものすごいスピードったのでは見えないような非常に小さいもの

で飛んで行くわけです。それですから、光のを、別の種類の光を使って見たり、あやつっ通信とか、光の情報処理とかいうことができたり、加工することはできないかというお話るわけです。

です。

この光を集めるには、ある直径を持つ凸レ話の筋としては、まず導入のお話と、それンズを持ってきまして、その中に光を通しまから簡単な原理的なお話、それから新しいタす。並行な光は凸レンズを通すと、焦点のとイプの光を発生させるためのプローブ

ころに点状に集まります。点光源の場合にも−−−−というのはガラスの針のことですが、ある程度集まるわけですが、しかし、波は広そんなものを作る話、それからこういうものがろうという性質を持ちますので、レンズでが出来た暁に、実際に見たり、分析する話、集めようと思っても、実際には点にはならず、それから、話の都合上、タイトルの順序とは若干ぼけが生ずるわけです。

逆にさせていただきますけれども、その小さ

ぼけの大きさがどのくらいかというと、空な光を使って物質を加工するという話です。

間的に振動しながら飛んで行くときの１周期

一例として従来の光ディスクに比べて、

の長さ、−
−
−
−これは光の波長といっている

1,000倍ぐらいの多くの情報を記録できるよわけですが、その光の波長程度です。本当はうな、光メモリを加工するという話です。そ点になると思ったのが、もともと光が広がろれから次は小さい光を使って物質の基本的なうとする性質があるために、レンズで集めて19

も、光の波長の大きさ程度の直径までしか小さくならないということです。

よく、「壁に耳あり障子に目あり」というようなことわざがありますけれども、この話

そういうことが起こると、往々にして悪いは、光だけではなくて、一般に波について言ことがあるんですけれども、たとえば図１にえることです。音は音波で、光とはちょっと示すように、ここに隣接して２つの光源があ違いますけど、それは波に違いないですね。

ったとします。この距離は非常に近い。そこですから、壁に耳ありというのは、壁に必ずから出てくる光をレンズで集めて、たとえばしも耳をつけなくても、壁の向う側の人の話

ここに仮に点が出来れば、この光源の間隔ぐし声はどこかに隙間があれば、その音が回っ

らいのところだけ離れた点が生じますね。だて、隙間を出たあと広がろうとするので、仮から、この点が２つあるということを見て、に後ろにいても聞こえるということを言ってここには光源が２つあるということがわかりいますので、音でも広がろうとする性質を持ます。しかし、もとの１個の光源から出てく

つということから来ることわざ、というふう

る光が、ここで光の波長程度のぼけを生じまに言うことができます。もちろん壁に耳をつすと、特にこの２つの光源の間隔が光の波長ければ、その壁を通じて音が聞こえるわけで以下ですと、光の波長程度広がった点が、１すが、必ずしも壁に耳をつけなくても、壁のつあるのか２つあるのかわからなくなります。

後ろ側にちょっと隠れていても、音は壁を回ということは、逆に、ここに光源がもともとって広がろうとする性質を持つので、聞こえ１つあるのか、２つあるのかわからないといるということです。

うことになります。

翻って光に関して考えてみますと、光が広これは何を言っているかというと、こういがろうとする性質を持ちますと、あまり小さうレンズで小さいものを見ようとすると、こいものを見たり、加工することができなくな

こに小さいものが光の波長程度、またそれ以ります。たとえばレーザの光をレンズで集め下の間隔離れて置かれていたときに、その２て、半導体の板を持ってきて、これを熱するつの物体を区別することができないということ穴があきます。穴があくといっても、そのとです。言い換えてみますと、たとえばこれ

穴の大きさは光の波長程度ですので、光の波を顕微鏡として考えますと、顕微鏡で見るこ長程度より小さい穴をあけることはできないとのできる最小の寸法は、光の波長程度であということです。

るということになります。

一方、レーザというのは光を閉じ込める箱

この原因はどこにあるかというと、もともでありまして、その中に光の波を閉じ込めなと光というのは遠くまで伝搬していくとともくてはいけません。あまり小さい箱を用意しに、広がろうとする性質を持つ。ですから、て閉じ込めようとすると、光は広がろうとす

いくらレンズで集めようとしても広がろうとる性質がありますので、反発して広がっていする性質が残って、その大きさが光の波長程ってしまって、小さい箱の中にはちっとも光度だということです。

が閉じ込められないことになります。つまり、
あまりレーザの寸法を波長よりも小さくすると、レーザの装置はできなくなるということです。ということなので、レーザをたくさん並べた光の集積回路などの最小寸法は、やはり光の波長程度以下になりません。
皆さんご存じのように、電子の動きを使っ

図１ レンズで集光したときの像のぼけΔxλは光源からの光の波長。

20たトランジスタ、それを集積化した集積回路というものがありますね。ＬＳＩといっていまして、最近はその上にＵというのをつけて、ために、ほとんど気がつかないで、通り抜け

ウルトラＬＳＩといっていますが、あれはもて行ってしまいます。しかしこの微粒子の表のすごく小さくなってきていまして、原子数面を注意深く見てみますと、光がじわじわと個分または数十個分ぐらいの寸法の構造の加染み出していまして、その光の染み出しの厚工によって作ったようなデバイスになっていみが、この微粒子の直径程度です。それからるわけです。最近では、原子を１個１個つかこの光は、微粒子の周りをぐるぐる回っていむとかいうような加工技術も出てきておりまる表面波のようなもので、遠くへは飛んで行して、物質は非常に小さいんですけれども、きません。これが物質の表面に近接したとこ

それに対して光というのは、今いいましたよろにある光の場なので、近接場の光といってうに、波長程度以下の寸法のところには閉じおります。

込めることができないほど大きいということです。

これは先ほど言いましたように、遠くまで飛んで行かないで、この物質の周りに染み出ということで、世の中は高度情報化社会、そしていますので、広がる光、集まる光ではな

れから高度福祉社会になってきておりますのく、染み出しているだけで飛んで行かない光で、光を使った通信などで多量で多様な情報です。

を送ろうとすると、光の波長程度の大きさのデバイスでは追いつかなくなる時代が、わりと早くやってくるかもしれません。すなわち光の波長以下には光は小さく閉じ込められないので、早晩、光技術の限界がやってきます。
しかし、本日のこれからのお話は、実際には必ずしもそういうデッドロックにはのり上
げないかもしれないという内容です。
それにはどういうことをすればいいかということですけれども、それは広がろうとする

図３ 近接場の光の発生の機構の説明

光以外の光を使えばよろしい。いろいろ探してみますと、そういう光が実はあります。

何でこんな光が出るのかというのを簡単に

それは近接場の光といいます。図２に示し説明しますと、図３のようになります。左かますように光の波長に比べてずいぶん小さい

ら光が入ってきまして、微粒子に当たります。

直径を持つ微粒子があったとします。これに微粒子というのは、電子とか原子がいっぱい

光を当てます。この光はこの微粒子が小さい

詰まったものです。ここに光が入ると、この中の原子の周りを回っている電子が振動を始めまして、非常に小さなアンテナが出来るよ
うなことになります。言ってみれば、これは原子のアンテナです。原子のある場所によって出来るアンテナの方向がいろいろ違いますので、そのアンテナから発する電波、すなわ
ち光の出方が原子ごとに少しずつ違います。
光は波ですので、原子のアンテナから出てくる光の振動は位相が少しずれています。その

図２ 直径aの微粒子の表面に発生する近接場の光の寸法

うちの位相の合った成分は、互いに足し合わ
さって遠くまで飛んで行きます。これが入っ21

てきた光があたかも通り抜けて出てきたことになっているわけで、これが実は従来の光です。
それ以外に、互いに隣同士位相がずれていると、出てくる光が弱め合ったりするような、干渉という効果により、すぐ消えていってしまうわけです。言ってみれば、この物質の表

（a）

（b）

面だけに先ほどの干渉の縞々みたいなものが出来る。いわゆるアンテナ同士が互いに干渉し合って、やがて消えてしまうような、ささやかな光がここに出てきます。これが先ほどの、染み出して遠くに飛んで行かない光、つ図４ プローブによる近接場の光の検出（a）原理図（b）コア部を先鋭化し、根元を金属膜で覆ったガラスファイバによるプローブの断面図

まり近接場の光です。
これが発生する光近接場の実態と考えられるわけですが、実はいままでの説明の中に、個の微粒子が必要だということです。この微粒子を、プローブといっています。

光の波長ということばは全然出てきませんででは、どのくらいの大きさのプローブが必した。光の波長がどうであろうと、こういう要かというと、一番よく光を散乱させるため

光の膜といいますか、近接場の光が存在するには、この微粒子と同じ大きさの微粒子を持わけです。だから、この微粒子の直径を小さってくるのが一番いいということがわかってくして、その周りにこんな非常にささやかないます。たとえば１nm（ナノメーター）、す

光を出させ、この光をペンライトのように使なわち波長の1,000分の１ぐらいの大きさのうことができれば、その物質が仮に光の波長微粒子の周りに光の膜を発生させ、それを観に比べて小さい寸法を持っていたとしても、測したり利用するには、１nmの大きさのもこのペンライトの光を物質に当てまして、照うひとつの微粒子を最初の微粒子の表面近く、明すれば、それを見ることができます。それ１nm程度まで近づけないといけないというからこの小さな光の膜を半導体の板に持ってことです。

いって、そこを加熱すると、そこに光の波長

ただ、１nmの微粒子を作るというのは、よりずっと小さい穴があきます。しかし実際必ずしも容易ではありません。１nmというには問題があります。この光は遠くまで飛んと非常に小さくて、原子が約100個からなる

で行きませんので、見えないわけです。見え物質です。ですから、このような光を利用す

なければ利用ができません。まず、見るためるには、非常に小さな微粒子を加工して作るにはどうしたらいいか。

というような、材料工学の助けが必要になっそのためには、たとえばこの微粒子に光をてきます。

当てたときに光近接場が出来たとしますと、

実は、ここまで込み入ったようなメカニズ

その光を測定するために、図４（a）に示すよムに関してのお話ではありませんが、関連すうにもう１つの微粒子を持ってきます。そのる素朴な提案が1928年に出ているんですね。

微粒子で先ほどの光の膜を散乱させるわけでイギリスのシンゲという人が物理学の雑誌にす。要するに微粒子を光の膜の中に突っ込み、書いておりますが、その論文を見ていると非その微粒子で先ほどの光の膜を散らせるわけ

常に面白くて、英語そのものが日本でいうとです。散ったあとは、もうこれは普通の遠く

古文みたいな感じで、われわれが高校で習っまで飛んで行く光になりますので、遠くに目たような英語とはちょっと違う文法に基づいを置いていても見えます。このようにもう１て書いてあります。よく読んでみると、「私22

はこのような論文を書く気はしなかった。しまくいくようになったかというと、特に日本

かしながら、ボスがこういうものを書いて、のファイバーメーカーの技術力の高さによっ特許を書いて発表しておくと、のちのちにいて、ガラスファイバーが、非常に性能よく出いことがあるかもしれない、というので書き来るようになりまして、かつこれを熱で溶かました」ということを書いてあります。確か

したり、それから最近は酸で溶かして尖らすにその頃は、小さいものを作るということはという技術が非常に進みまして、先端の曲率できなかったものですから、こういうものを半径が非常に小さくなるようなものが出来る

提案しても荒唐無稽だったと思います。

ようになりました。

けれども、科学の長い歴史の中では、そう

それ以外に、ＩＢＭのチューリッヒ研究所がいうものを実現するような技術の研究も進んその当時ノーベル賞を取った、電子顕微鏡のでいまして、最近になってそういった研究を非常に倍率の高い走査型トンネルプローブ顕実現するための周辺技術がかたまってきまし

微鏡というものがあるんですが、そういうようたので、1980年代の中頃に、ほぼ４つの研な技術を使えるようになりました。それまでの究グループで初めて実験が成功しました。そ約60年間は、ほとんど空白の時代でした。

れはＩＢＭのスイスのチューリッヒの研究所、

図５はわれわれのところでうまくいった、

アメリカのコーネル大学、それからアメリカ

ガラスファイバーを尖らした結果の写真です。

のオークリッジ国立研究所、それからわれわ

ガラスファイバーの周りのクラッドの中心にれの東京工業大学です。

コアが尖っています。これはフッ酸で溶かしそれからもう１つ面白いのは、有名なアイ出したものです。この先端部分が少し暗いで

ンシュタインが友達に宛てた手紙の中に、シすけれども、拡大すると先端曲率直径、先ほンゲと同様のアイデアも書いているというこどの微粒子に対応するものの直径ですけれどとです。

も、それは30Å未満。原子が20〜30個ぐら

さて、実際にはどのようにして加工するか

いしかくっついていないような状態になってということですが、微粒子を、宙に浮かすといます。次に金属膜を根元に塗りまして、円いうこともできませんので、何らかの支えが錐状のものを飛び出させます。円錐状のもの必要です。したがって、現代の宝石といわれの寸法が30nmくらいですから、光の波長のる非常に純粋度の高いガラスのファイバーを20分の１ぐらいの大きさになっています。も加工して作ります。

ちろん、この先端部分は光の波長の1,000分

ガラスのファイバーというのは、中心部にゲの１程度の大きさになっています。こういうルマニウムなどの原子が入って、屈折率が高ものを使うと、先ほど言ったような光の膜をい部分をもち、これをコアといいます。周りに使って見る、加工する、あやつるということはクラッドといい、コアを支えるものがありまができます。

す。光はこのコアの中を伝搬してきます。

最近ではガラスファイバーを、ただ尖らしこれを図４（b）に示すように針のように尖て鋭くするだけではなくて、出入りする光のらせまして、根元に不透明な金属膜を塗りま量が多くなるように、尖っている部分の長さす。そうすると先端だけが透明で飛び出しまを短くしたり、それから先端に色素や半導体す。この部分を微粒子として使うわけです。

の微粒子などをつけて、違う色の光を出した

この非常に小さい先端で近接場の光を散乱さり、いろいろな機能をするプローブが出来るせるわけです。散乱させたらファイバーの中ようになってきています。

を通して、ファイバーの後端にある光検出器
で測定します。
なぜ、1980年の中頃になって、実験がう

それからもう１つ申し上げたほうがいいと思われるのは、図４（a）はあくまでも原理的な説明でして、両者の微粒子の役割を逆にす23

います。どちらの方法を使うかは、応用の内容によるわけです。
それでは、見る、分析するというお話から始めさせていただきます。
まず、見るということですけれども、先ほどの２通りのやり方があるんですが、１つはガラスファイバーを近接場の光のある位置に固定します。そして散乱される光のパワーを測定します。その測定値をグラフ用紙の縦軸先鋭化ファイバーのところに書いておくわけです。横軸はこの針の位置です。次に、この針をちょっと動かして、やはり次のパワーの値を測定します。
そして、グラフ用紙の横軸の隣の点に、この測定値を書きます。これを繰り返して針をずっと動かしながら、針の各位置のところで光のパワーの測定値をグラフで書いていきます。
実際には針を一次元上に動かすわけではなくて、奥行き方向にも動かして、二次元の地図の上に光のパワーの測定値を書いていくわけ

先端部の拡大図です。それは何を表しているかというと、近接場の光の各場所でのパワーの大きさを表していることにほかなりません。ということは、
この微粒子の寸法、形状を測定していることになります。
これは微粒子の形を見るための装置、いわゆる顕微鏡を作っていることにほかなりません。これを近接場光学顕微鏡といっているわ
けです。
具体的にそんなようなやり方でものの形を見た例を、これからいくつかご覧に入れます。

根本に金属膜を蒸着後
図５ ファイバープローブの電子顕微鏡写真

その装置では、ガラスのファイバーをもちろん手で動かすわけにもいきませんし、それから装置をコンパクトに作りませんと、周りの温度が１度変わると、たとえばアルミニウ

ることもできます。すなわちガラスのファイ

ムの板などは１μmぐらい簡単に伸び縮みしバーの後端から光を入れますと、先端部分にてしまいますから、きれいな像が見えません。

非常に小さな近接場の光が染み出します。そですから、お茶筒のような容器の中に収めて、れをもともとは測定対象である微粒子で散乱

ひっくり返しても壊れないような装置を注意させるということもできます。ですから、こして作るわけです。

ちらの下の微粒子の周りの光をプローブで散たとえば図６は、サファイアの非常に平坦乱させるか、ファイバーから出てきた近接場な板を見たものです。平坦な板でも、ところの光を微粒子で散乱させるか、どちらかを使

どころ原子の数でいうと、１層とか２層ぐら

24の図では光の波長の４分の１×４分の１ぐらいの視野を見てるわけです。普通の顕微鏡ですと、先ほど凸レンズで焦点面上に光を集めたときの光のぼけのために、このような小さい視野の中には像があるのかないのかわかりません。しかし、このようなプローブをうまく使いますと、こういうふうに結晶の微粒子が見えます。
図６ 超平坦サファイア基板上の原子層ステップの測定結果

これは要するに顕微鏡なわけですが、顕微鏡の大きなマーケットは、生物とか医学とか、いのステップがあります。サファイアというそちらのほうの生体試料を見るような分野でのは透明ですから、後ろから光を当てて、先す。図８は直径がだいたい20から30nmぐら

ほどの近接場の光をサファイアの板の上に発いのバクテリアの鞭毛と称する小さなひげを、生させます。そこにプローブを近づけていっガラスの基板の上に固定しまして、空気中でて、サファイアの板の面に沿わせて動かしな見たものです。この変な黄色いものがその鞭がら、測定される光のパワーを図示したもの

毛の末端の部分で、直径はだいたい30nmでです。縦軸のこの高さが10Åぐらいです。ですから、光の波長の20分の１から30分の１

すから、原子でいうと２層分ぐらいの段差がぐらいの値です。

あるということで、光の波長の1,000分の１ぐらいの厚みがはかれるように出来ているということです。
それ以外に、誘電体のリチウムナイオベー
トと称する結晶を、特別な方法で先ほどのサファイアの板の面の上に一辺20nmぐらいの微粒子として作ります。それに光を当て、出てくる近接場の光をファイバーで拾い出すと、
図７のように小さい結晶の像が見えます。こ図８ バクテリアの鞭毛の空気中での測定結果

これはもちろん、従来は光では見えませんでした。どうしていたかというと、電子顕微鏡を使って見ていたわけですね。すなわちガラスなどの基板の上にこのひげを置き、金属膜を塗り、それを真空装置の中に入れて、電子のビームを当てて見たということです。ですから、電子顕微鏡ですと、生体試料そのものを殺して見ているということになります。
しかし、光の場合には空気中で、この程度の大きさまで、この顕微鏡で見えるということです。
ただ、実際には生物試料というのは、溶液中で生きていますので、溶液中で見る必要が
図７ リチウムナイオベートの微粒子の測定結果あります。電子顕微鏡では溶液中の試料とい25

いまの段階でどのくらいの小さいものまで見えるかといいますと、代表的になっていま
すわれわれの例ですと、８Åぐらいのものまででしたら見えます。ですから光の波長の1,000分の１ぐらいのものが見えるようになってきているということです。
実は、光を使ってこんな小さいものを見ようとするときには、もちろん強いライバルとして電子顕微鏡などがあります。しかし、光図９ バクテリアの鞭毛の水中での測定結果には電子顕微鏡ではできない機能がありまして、それは分析するということです。最近のうのは見えません。ここでは先ほどの鞭毛を動きは、見るだけではなくて、非常に小さい

ガラスの上に載せて、それを水の中に入れまものの構造を分析するということが加わってす。水の中にガラスのファイバーを浸けて、おりますので、この後は、先ほどの近接場の

この鞭毛の下から光を当てたときに発生する光を使った大きな応用として、分析する話を

近接場の光を見ています。図９は互いに近接

ご紹介させていただきたいと思います。

する５本のひげが見えた例です。これもだい

たとえば、当てる光の波長を変えていきまたい、30から太いところで50nmぐらいの寸す。ここで、どの波長の光を当てたときに、法のものが見えます。

相手の微粒子はその光をどのくらい強く吸収見るということに関してはきりがないです

するか、またはどの波長の光を当てたときに、

けれども、たとえば神経細胞の本体から出てその微粒子はどんな色の光を発生するかといいる軸索と称するパイプの中にマイクロチュ

うことを調べますと、微粒子の内部構造がわーブリンと称する細いひものような束がいっかるということです。内部には電子とか原子

ぱい詰まっています。このマイクロチューブが詰まっていますので、たとえば原子や電子リンと称するひもの直径は、電子顕微鏡で見がどんな振る舞いをしているかということがたときは25nmぐらいといわれています。こわかります。

れを電子顕微鏡で見るためには、このパイプ代表的な例を１つだけご覧に入れることにの軸索を切り、中からマイクロチューブリン

しますが、最近はやってきています半導体のの束を出し、そのうち１本を板の上に載せて、

量子ドットというものの構造の分析です。

金属膜を塗って、真空の中に入れなくてはなりません。

半導体の量子ドットというのは、半導体の小さな粒と思っていただければ結構です。たしかし、光の場合には、実はこの軸索が半とえば半導体の板の上に、結晶成長の最先端

透明ですので、プローブをこの軸索の外側に技術を使って非常に小さな半導体の微粒子を這わせますと、中の模様が見えます。ですか

たくさん並べます。この微粒子の寸法は中にら軸索を切って中身を出さずに見ることがで入っている電子の動きを束縛してしまうほどきる、というのがプローブを使った方法の特小さいので、電子はもはや自由に動き回れま長です。

せん。すると電子はどんなエネルギーも好き

実際に見た１本のマイクロチューブリンの勝手に取り得るのではなくて、特別の値しか直径が25〜26nmぐらいです。つまり電子顕

取り得なくなり、電子のエネルギーが離散化

微鏡で見たのとほとんど同じぐらいのものが、します。

軸索のパイプを切ることなく見えるということです。
26

これに赤い光を当てると、この電子が活性化しまして、この中に閉じ込められながら、

近赤外の光を出します。ですから、出てきた

ウム砒素の基板の上の、だいたい１μm×１

近赤外の光を使うと、このような小さい微粒μmの面積内に200個ぐらいの密度で作られ子をいっぱい集めて、効率の高いレーザが出ています。実際には、並べられたドットの上来るといわれています。

にガリウム砒素や、アルミニウム・ガリウム

各々のドットからは、非常に単色性の高い

砒素などの保護層を置いています。ですから、

強い光が出てくるといわれています。しかし

このドットというのは地下深く埋蔵されたも現在の技術は、１個１個のドットを規則的にのなわけですね。ですから上からは平らに見同じ大きさで、同じ構造で作ることが難しくえて、このドットがあるかどうかはわかりまて、やはりばらついています。このばらつき

せん。しかし図10に示すように、このプロをなくして、より高い精度で、ばらつきの少ーブから出てくる近接場光でこのドットを基ないドットを作っていくにはどうしたらいい

板を通して照明すると、電子の活性化によっか、という設計指針を得るためには、まず、て生ずる近赤外の光が出てきます。当てる光

このドット１個１個から出てくる光のスペクは赤い光で波長が0.6μm、出てくる光の波

トルの特性を正確にはかって、そのばらつき

長は0.8〜0.9μmです。そのスペクトルを見の原因がどこにあるかというのを知って、最ようというものです。

適な材料の製作を設計することが重要です。

もう１つの問題は、普通はこのドット１個

しかし、従来は多数のドットに、レンズをからの近赤外の光は弱いので、こういった測使って赤い光を当てて、それで近赤外の光を

定は試料を液体ヘリウム温度、すなわち絶対

出して、それをレンズで集めていました。こ５〜10度程度の極低温にまで冷却して近赤外の場合、赤い光の像のぼけが１μmぐらいあの光の発生効率を増加させる必要があります。

ります。そうしますと、その１μmぐらいのそれから実際には、プローブを通して光を当ぼけの中に、ドットはだいたい100個とかてても、この保護層のところで電子が活性化

200個ぐらい入ってしまいます。ですから、されて、その電子がいろいろ動き回ります。

１個のドットだけからの近赤外の光を測定しそうすると、たとえば保護層のある位置で活ようとしても、それは無理なわけですね。で性化された電子が、ずっと遠くまで行って、すから、多数のドットのスペクトルの包絡線

遠方のドットを活性化したりすることもあるが測定されるにすぎません。しかし、この１わけです。それなので、必ずしもある位置で個のドットからのスペクトルだけをはかりた

光を局所的に照射しても、逆に遠くの方からい。そのためには、１個のドットに光を選択

近赤外の光が出てくる場合があります。

的に与えられればよろしい。そのためにはプ
ローブの後端から赤い光を入れて、先端の鋭いところに近接場の光を染み出させて、それを１個のドットに近づけまして、１個のドットだけを活性化して、そこから出てくる近赤外の光を測定することが必要でしょう。
もちろん、電子顕微鏡は、こういう目的には使えませんが、近接場の光を使ったようなやり方ではうまくいきます。
最近は、半導体レーザの材料のインジウ
ム・ガリウム・砒素という化合物半導体の、
直径30nm、高さが15nmぐらいの量子ドットが作れるようになってきました。それはガリ

図10 InGaAs半導体の量子ドットおよび試料の構造とフォトルミネッセンス測定装置の説明

27

その光を全部集めてしまうと、１個１個のわれは、この光を近赤外の光として見ているドットからの光を受けることにはなりません。

わけです。この電子と正孔のペアのことを励

そこで近赤外の光もこのファイバーの針を通起子（エキシトン）という言い方をしていまして受けて検出します。すなわちプローブのすが、この励起子が発光するのが、先ほどの先端から出てきた赤い光でドットを活性化し近赤外の光です。

て、ドットから出てきた近赤外の光を、もう

それから、同時に電子と正孔が２組ペアに１回プローブで集めて検出するというような、なる場合があります。これは励起子分子とよそういった効率の悪いことをせざるを得ませばれます。これは水素の原子核と電子が組みん。けれども、プローブが適当な形をしてい合わさって出来る水素原子が２つ結合して水ますと、首尾よく検出できます。

素分子を作るようなものです。

実際に極低温で測定してみますと、従来でこういった水素分子状の励起子分子も光をすと図11の上部の曲線のような、数多くのドッ出します。２つの励起子がペアをつくること

トからの発光スペクトルの包絡線しか見えなによる結合エネルギー分だけ低いエネルギー

かったのですが、ここでは下部の曲線のようにの光が出ますので、実際には１個の励起子か１本１本のスペクトルが見えるようになりました。

ら出てくる光よりも、波長が少し長い光を出

ドットは半導体ですので、電子が活性化さします。これをバイエキシトンといっている

れ伝導帯と称するエネルギー準位に上がりまんですが、バイエキシトンのこのような励起

すと、価電子帯と称するエネルギーの準位の子分子のスペクトルも見ることができると、中に、正孔と称する正の電荷を持つような擬ドットの中に電子と正孔のペアが１組あるも似粒子が発生します。あるときに負の電荷をのが発光しているのか、水素分子状の２組あ持つ電子が正の電荷を持つ正孔とくっつきまるものが発光しているのか、という構造分析

すと、エネルギーを失って、そのかわりそのができます。

エネルギーが光となって出ます。実際にわれさらに付け加えると、励起子でも、特に電子が一番最低のエネルギーの値をとるのが一番安定なんですが、このエネルギー準位をとり得る電子が中にいっぱいになりますと、次の電子は上のエネルギーの値をとります。この上のエネルギーにいる電子が正孔と結合して出す光は、高いエネルギーを持っており、したがって、短い波長の光になります。ですから、こういう波長の短いスペクトルが出たら、この中には高いエネルギーの電子がある
ことがわかります。
実際には、広い波長範囲にわたってスペク
トルをはかります。その結果が図12です。それから、この図12のパラメータは、ドットに当てる赤い光のパワー密度の大きさです。このパワー密度を上げていくと、最初のエネル
ギーの低い電子の発光が弱くなったり、逆にそのあとエネルギーの高い電子からの発光が

図11 量子ドットのフォトルミネッセンスのスペ
クトルの測定結果（上図：従来方法による
下図：近接場の光による）

28

増えたりというようなことがあって、それぞれ当てる光のパワー密度に対して一番エネル

なやり方で加工することができます。加工の例としては、光メモリをご覧に入れます。
原理は簡単です。ガラスファイバープロー
ブの後端から光を当てますと、近接場の光がプローブの先に発生します。この近接場の光のパワーは、１ｐＷ（ピコワット）〜１μＷ（マイクロワット）ぐらいです。ですから、伊賀先生のｍＷ（ミリワット）などのレーザの光からすると、３桁から９桁ぐらい小さい
値です。しかし、このプローブの寸法も非常に小さく、数ナノメーターですので、単位断面積当たりのパワーの大きさ、いわゆるパワ
ー密度は、１平方cm当たりに換算すると、100Ｗ〜１ｋＷになります。そうしますと、ファイバープローブの先に強いエネルギー密度の光が出ますので、この光を適当な膜、材料、結晶の板に当てますと、そこだけが集中的に加熱される場合があります。場合によってはそこだけが光化学反応を起こしまして、
図12 照射する光のパワー密度をパラメータとした量子ドットのフォトルミネッセンスのス
ペクトルの測定結果

構造が変わります。それを利用して、この光のエネルギーで板に穴をあけるか、または構造を変えて、この光の直径の大きさ程度の寸

ギーの小さい電子が発光する強度、それから法のメモリ、ビットを表す点１個と記録する

励起子分子が発光する強度、それから高いエことができます。

ネルギー準位の電子の発光する強度の振る舞

この点を書いたことが、光メモリの記録にいというのが違ってきます。このようなもの対応します。レコード針による録音というこを注意深く見ると、どのドットにどんなエネ
ルギー状態の電子が含まれているかということがわかります。
たとえばいろんなドットから出てくる発光の強度を、当てる光のパワー密度をだんだん増やしながら調べますと、最終的には図13のような分類ができまして、励起子分子の発光、最低次のエネルギーを持つ励起子の発光、それからエネルギーの高い準位を持つ励起子の発光というように、すべてのドットに対してどんなエネルギー状態の電子が含まれているかというのがわかるようになります。
次は、加工するという話に入ります。いままでは、見たり、分析したりする話でしたので、物質の構造を変えたりするような積極的なことはしませんでした。しかし、次のよう

図13 各量子ドットから発光するフォトルミネッ
センス像とその原因の帰属29

とになります。再生は、もう少し弱い光を使ならないわけです。ですから、それよりも小って、この穴のあいたところや構造の変わっさいものを加工してメモリを作ろうとしても、たところを、顕微鏡として測定します。ここそれは無理です。

に穴や点があったということを知ると、これ

けれども、われわれの場合には、原理的には記録の再生になるわけです。場合によってはガラスのファイバーのプローブ程度の寸法

は、別の波長の光を入れますと、この穴を修まで小さな穴があきます。それは記録密度で復することができまして、メモリの消去といいうと１平方インチ当たり１テラビットということになります。これを繰り返しますと、うことになります。テラビットというのは消去可能なメモリが出来ます。

1,000ギガビットということで、原理的にはこのような原理の実験は、われわれのとこ
ろですでに、ずいぶん前にうまくいっていま

従来の光メモリの1,000倍の記録密度が得られるということです。

して、たとえば有機材料の膜に、紫外線の光

これはたとえば、動画像を１つのディスクをファイバーを通して当てますと、図14のの中に記録するとか、気象情報、医療情報、

ように直径が50nmぐらいの穴があきます。

図書館１つ分ぐらいの文献情報を記録すると場合によっては、ファイバープローブを一直か、その程度の大きな容量を持っています。

線上に走らせれば、線が描けたりする場合もあるわけです。

そういうことで、将来の超高密度の光メモ
リの担い手の１つと言われて、図全体が応援

このような実験がきっかけになりまして、実をしてくださっているわけですが、ただし、は去年ぐらいから日本の国全体としても、こう

１テラビットという値は大き過ぎるというこ

いった方法を使って、超高密度の光メモリをとが問題です。したがってプローブで書くと作る大型プロジェクトが進みつつあります。

いうような原理実験から、皆さんが日常的に

なぜこんなことが採用されたかというと、広がる光、集まる光を使って、従来の光メモ
リを作っていると、だいたい１平方インチ当使えるようになるためには、越えなければならない大きな技術的問題があります。
たとえばどんな情報を提供するかによって、たり１ギガビット程度の記録密度になります。

書き換え可能な必要があるのか、記録だけでしかし、光メモリの強大なライバルとして、いいのかという問題がありますし、それから磁気メモリ、ハードディスクメモリがありま

プローブのかわりにどんなディバイスを作っして、それの性能がどんどん上がってきますて記録したり、再生する必要があるのかとか、し、それを追い越そうとして、広がる光、集プレイヤーそのものの装置はどういうふうにまる光を使っても、レンズで集められるスポ

したらいいのか、記録される材料としてはいットの大きさというのは、光の波長程度しかままでの材料でいいのかどうか、などが問題になってきます。
さらに、たとえば１nmのように小さいところに光を当てたときに、そこで熱が発生します。普通は熱というのは周りに拡散していくわけですが、その拡散というのが、そんな小さいところでは、従来の大きなものに熱を起こしたときの拡散の状態と同じなのかどうか、という非常に物理の細かいところにかかわるような問題も、解決されなければいけま

図14 有 機 薄 膜 に 記 録 さ れ た 直 径 5 0 n m の 円 形
スポットの像30

せん。
とはいっても、実際にはこれらを１つ１つ

解決していく必要がありまして、そのうちのンの板で、その穴の１個を拡大すると、最小

わかりやすいような例を１つだけ挙げますと、で80nmぐらいの四角い穴があいてるものが

いま開発が進み始めているのは、再生スピー出来ていることを表しています。

ドを上げるために、プローブを何本も用意しそれから最近はさらに凝ったことができる

まして、同時に何本かのプローブで書かせたようになってきていまして、上から光を当てり、読み出させることです。

て、穴のところに発生する近接場の光のパワ

けれども、活け花の剣山を逆さにしたようーを上げるために、凸部に１μm程度の直径なプローブの束を作ったとしても、プローブをもつボールレンズを１個１個埋め込みましの高さにばらつきがあって、このばらつきをて、上から入ってくる光がこの穴のところで10nm以下ぐらいにすることは、現在のマイ焦点を結ぶようなものもできるようになってクロプロセスと称する半導体の加工技術ではきています。

無理だろうと言われています。ですから言ってみれば、ここではわれわれが開発したような、１個１個の細いプローブを束ねて使うことはやめるということです。

さて、最後に、あやつるという話をさせていただきたいと思います。
いままでの話は、見る、分析する、それから加工するということだったのですが、そのそのかわりシリコンの板に適当なエッチン

寸法は、もちろん光の波長よりははるかに小グで小さな穴をあけまして、穴の上から光をさく、だいたいナノメーターぐらいの寸法の当てて、穴のところに出てくる近接場の光を物質を扱っていました。しかし、ナノの下は使って記録したり再生するほうがよかろうとオングストロームで、物質を構成する基本的いうことが言われ始めています。

な構成要素としての原子の寸法となるわけで

この穴はばらつきなく作れますし、その穴す。近接場の光というのは小さいですし、パをたとえば100個×100個、アレイ状に作るワーも弱いです。だけど、相手が原子ぐらいこともできますし、それから裏の面が平らでまで小さくなってくると、その原子をかなりすので、記録材料の上に非常に薄い潤滑剤をいろんな自由度であやつることができるかも

数ナノメーターぐらいの膜厚で塗りまして、しれないという夢があるわけです。

その上にこれを滑らせると、精度よく適当なスピードで滑らせることができます。
図15は穴が２次元的にあいているシリコということで、いままでの話は、ナノの寸法のものを扱うというような光エレクトロニ
クスでしたので、ナノフォトニクスとよぶことにしますと、そのナノフォ
トニクスというのは画像計測だったり、分析だったり、メ
モリを作ったりするような加工だったりしたわけです。
もう１つ先に、アトムフォ
トニクスというのがあるのではないか、ということです。
それはたとえば真空中に浮いたり、飛行している原子を、近接場の光を使ってあやつるということです。

図15 シリコン結晶板に２次元的に穴の空いたプローブの構造と電子顕微鏡写真

その原理は、図16のようになっています。すなわち近31真空中に浮いている原子が近接場の光の中に飛び込みますと、原子はこの物質の表面にくっつくか、はねかえされるか、ということになるわけです。
この実験は超高真空の中で行います。くっつくか、はね返されるかは、使っている近接場の光の色によります。色というのは、実は言い方がおかしくて、色を区別するのは電磁波としての光の周波数です。毎秒何回、光の電磁波が振動しているかということです。
原子にはいろんな構造がありまして、その構造によって決まる原子に特別に共鳴する周波数がありまして、その周波数に対して光の色を表す周波数が若干高ければ、先ほどの図16のように、原子は物質表面からはね返されるような力を受けます。原子の特別の周波数に対して光の周波数がちょっと低ければ、原子は物質表面にくっつきます。
それを利用して、われわれは、ガラスのファイバープローブから近接場の光を出させて、図16 近接場の光により発生する原子に対する双極子力の説明

この近接場の光の周波数を適当に調節しておくと、場合によっては原子はくっついたり、はね返されるかもしれない、ということを考接場の光を発生する物質の表面がここにありえています。しかし、これはなかなか難しくます。この図ではわかりやすいように表面がて、一朝一夕には実現しませんので、その１平面の場合について描いています。近接場のつ前の方法を考えています。

光のパワーの分布は、物質表面の法線方向に

そのためには、プローブの先の近接場の光

対して、急激に減衰します。その中に原子がではなくて、図17に示すようにちくわ型の入ったとします。近接場の光はもちろん電波

ファイバーを用意します。ちくわですから中の一種ですから、近接場の光が電磁波として身が抜けているわけですが、内壁の周りを、持っている電界の振動方向に原子核と電子が断面がドーナツ状のコアが取り巻いているよ

変位しまして、同じ方向の分極が出来る場合

うなファイバーです。その外側はクラッドでと、それから場合によっては、同じ原子でもコアを支えています。ドーナツ状のコアのと反対方向の分極が出来る場合と、両方あります。仮に、近接場の光の電界によって、電界が振動するのと同じ方向、言ってみれば同じ位相で振動するような分極が出来ると、出来た分極と電界との間の相互作用で、この原子は光のパワーの強い方向に引っ張られます。
逆の方向の振動の仕方をすると、原子は光の弱い方向に引っ張られます。この力を双極子
力といっていますが、こういうものを使うと、
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図17 中空ファイバ内壁面に発生する近接場の光による真空中の原子の誘導の説明

ころにドーナツ状の光を通しますと、この内壁のところに近接場の光が膜状に出てきます。
もともと、ドーナツ状の光の周波数を、原子の構造によって決まる周波数よりも少し高くしておきます。そうすると、原子は内壁からはね返されます。すなわち、原子がちくわの中に飛び込んできたときに、この近接場の光の力を使って、ちくわの中を誘導することができるかもしれません。
原子がちくわの中を誘導されれば、誘導された原子をファイバープローブの先の近接場の光に当てて、そこでプローブの先でつかま

図18 内径300nmの中空ファイバを誘導された原子の数の測定結果
横軸はファイバに入射した光のパワー。縦軸は原子の数。内挿図は原点付近の拡大図。

えたい、という希望をもっています。
ということで、いくつかの実験を行ってみ

応用には科学から技術までいろんなものがましたので、それらをご紹介させていただきあります。たとえば、科学的には量子力学的ます。日本のファイバーメーカーの技術力はな効果を検証する、技術的には飛び出した原

ものすごく高くて、このようなちくわのファ子を結晶の板の表面に吹きつけまして新しいイバーが実際に出来ます。その内径の一番小物質を作っていく。それから化学の人はご存

さいのは、だいたい300nmぐらいですから、

じかもしれませんけれども、同位体を分離す

使う光の３分の１ぐらいの直径です。

るというようなものです。

いろんな原子で実験できるのですが、ここそれ以外にも、いくつか量子力学的な効果でご紹介するのは、ルビジウムという原子でもあるんですが、時間が残り少なくなったのす。これはナトリウムの親戚です。ルビジウ

で省略します。将来はちくわ型のファイバー

ムは室温では水銀のような状態になっていまの中を通り抜けた原子をファイバープローブ

す。これを温めますと蒸発し、ガス状に原子の先に出てきた近接場の光でつかまえ、さらが吹き出します。それを穴のあいた板に通しにはつかまえた原子を基板の上にくっつけて、て、ある程度平行に真っ直ぐに飛ばし、その新しい物質を作る提案がなされていて、理論

先にさきほどのちくわのファイバーを置いて的な考察や、予備的な実験がなされています。

おきます。同時にドーナツ状の光を真空の外この技術というのは、実はルビジウムだけから、窓を通して入れます。そうすると内壁にしか対応できないということではなくて、に近接場の光の膜が、ドーナツ状にしみ出し目的とする原子が決まれば、原子の構造によてきます。この中を原子が通り抜けるはずでる特有の周波数に対応する光を使うことによす。図18は、その実験結果の例で、光のパ

り、いろいろな原子に対して使えます。たとワーの増加とともに通り抜ける原子の数が増えば紫外線を使いますと、シリコンをあやつえることを示しています。ちなみに、使ったることができます。言ってみれば、適当な色ガラスファイバーの内径は300nm程度、長さの光を出すレーザの光源さえ用意できれば数は３cmです。これは原子から見るとほぼ無多くの原子が扱えます。

限に大きい長さです。ちなみに、300nmの直今後、原子１個１個を小さな近接場の光で径で３cmの長さというものを、両者１万倍扱う技術が進むのではないかと期待しておりしていただくと、内径３mm、長さ300mとます。

なりますので、このように細くて長い管の中を微粒子が通るということになります。

最後に今後の展望について述べます。過去には計測ということに主体が置かれて、近接33

場の光を使って、分解能としては20nmぐら
いというのがチャンピオンデータといわれていた時代があります。これが1980年代の中頃から90年代に入る頃です。最近はプローブ技術の開発が進んで、計測の場合の分解能が0.8nmぐらいになってきています。
今後は単なる計測、分析ではなくて、加工、
それから１個の量子ドットにスイッチのような機能を持たせ、非常に小さな光ＩＣのようなものが出来るかもしれません。それから究極の技術として、原子操作ができると期待され、近接場光の光の本質や、物質との総合性の本質を調べながら、先ほど申しましたナノ
フォトニクスとかアトムフォトニクスというのができるかもしれません。ただ、これらの技術やその基礎となる科学は、先ほど申しましたように、ナノ技術に支えられたものです。
小さいものを加工できる人が、こういった方向に向かって進むことができますので、光だけではなくて、物質を、それから材料を絶えず加工する努力が、どうしても必要です。
ただ、非常に幸いなことに、この分野は非
常に日本の強い分野で、総合力としては欧米各国をしのいでいるといわれています。そのようなことで、ナノフォトニクスとかアトム
フォトニクスが、ある程度並行してできますと、それを融合して、新しいタイプの光エレクトロニクス、フォトニクスの分野ができるのではないかと考えております。
ご静聴どうも有難うございました。

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