科学研究費補助金新学術領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」
November 30, 2017

News Letter Vol. 4

新学術の意味は？

張 紀久夫（豊田理化学研究所）
⼈人間が光を認識し利⽤用してきた⻑⾧長い歴史のうち（これ⾃自⾝身も⼗十分に⻑⾧長い）   直近の 150 年ほどがマクスウェル⽅方程式(M-‑eqs)   によって開かれた精密な理解と応⽤用の時代である。電気・磁気に関する巨視的な法則をまとめた M-‑eqs   とその後に現れた量⼦子⼒力学とによって、物質と電磁場の相互作⽤用が⽣生み出す
多種多様な電磁現象をミクロなレベルから追求できるようになり、さまざまな応⽤用や発明が⽣生み続けられているのが今の姿である。その研究対象は物理・化学・⼯工学・⽣生物・医学等々の広⼤大な領域に拡がっているが、解析に⽤用いられる電磁気学には精密な相対論的ＱＥＤからマクロな現象論までさまざまな形があり、それぞれの研究者の守備範囲も多様に分かれている。
⻑⾧長い歴史と広い応⽤用分野をもつ物質の電磁気学に対して「新しい学術領域を切り拓く」意味を改めて考えてみよう。基礎となる量⼦子⼒力学や電磁気学はそれぞれ完成された学問で、そこに新しい学術領域を創ることは考えにくい。⽬目指す新しさの本質は物質の側にあり、   さまざまな nm スケールの物質に対して従来のμm   以上の系にはない物質操作の⼿手法を実験・理論の両⾯面からさまざまな実例によって確⽴立するところに当研究班の⽬目的がある。
その際新しい物質系の創出と共に光圧下での挙動を適正に記述する電磁応答理論の選択が重要である。電磁応答理論は物質の扱いが相対論的か⾮非相対論的か、ミクロかマクロかまた電磁場の扱いが量⼦子的か古典的かという近似の選択に依り、①相対論的ＱＥＤ，②⾮非相対論的ＱＥＤ，③微視的半古典論、④巨視的半古典論に分かれる。それらは①を頂点とする単⼀一の階層構造を成していて、問題に応じて近似条件に合う理論形式を選ぶ必要がある。当研究班に関係の深いのは③と④である。④という簡略化した形が許されるのは⻑⾧長波⻑⾧長近似が成り⽴立つときであり、成り⽴立たなければ④ではなく③で解析する必要がある。ナノ物質を対象にするということはサイズ・形状で量⼦子化された励起準位の共鳴を適正に扱うことなので、⾦金属ナノ構造のプラズモンといえども単純な④で扱うのは適当ではない。多くの問題では共鳴準位に伴う分極と⾮非共鳴準位による背景分極が混在するので、両者を考慮した解析が必要であるが、そのような研究は歴史が浅く今後の⽬目標の⼀一つであろう。
歴史的には電磁気学が④から始まったため「④の形として対称性の要請を満たした現象論でもよい」といった特別の⾃自由度を許す⾵風潮があるが、電磁気学は⼀一つしかないのだから上述の単⼀一階層構造に当1

URL : http://optical-manipulation.jp/

科学研究費補助金新学術領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」
News Letterてはまらない理論形式は信頼に⾜足りない。また、メタマテリアルの研究者の中には量⼦子⼒力学は要らないと公⾔言する⼈人も珍しくないが、これはナノ系を対象とする当研究班の取るべき対応ではない。電磁応答理論の最先端の形式では、線形過程でも⾮非線形過程でも、またどんなゲージに対しても、電気・磁気・キラル分極の全てを含む「誘起電流密度」を「（横電磁場＋外部電荷による縦電場を成分とする）電磁場」と関係付ける構成⽅方程式で、即ち単⼀一感受率理論として、⼀一般的に定式化される。
さまざまな時間空間軸上で新奇なサイズ・形状・構造を持った物質系が創出され、その挙動を正しく記述する電磁応答の理論形式が確⽴立されることを⼤大いに期待している。
(2017 年 7 ⽉月受稿)

共同研究概要説明
共同研究Ｃ：分⼦子の選択的⼒力学操作を通した化学過程の制御
コーディネーター   ⿃鳥本   司   名古屋⼤大学⼤大学院⼯工学研究科・教授
⽣生体に代表されるような異種分⼦子が混在する反応系において、特定の分⼦子種を選択的に分離あるいは空間的に濃縮することができれば、熱平衡下とは異なる化学過程を進⾏行させることができると期待されます。本共同研究ではこれを、光圧による分⼦子・ナノ粒⼦子の直接操作や、さらには偏光や光の⾓角運動量により特殊な励起状態となった分⼦子・ナノ粒⼦子の選択的な物質操作によって達成し、化学反応の反応性・選択性の向上や新規反応の開拓を⽬目指します。
具体的には、様々な化学反応場の中でも、化学種の分離や⽣生体における化学反応に⾮非常に重要である液−－液界⾯面を、本共同研究の主要な反応場として選びました。界⾯面における化学反応性や液−－液界⾯面を通過する物質移動は、化学反応の⾃自在な制御のための⾮非常に重要な因⼦子であり、本研究ではこれを光により制御することを⽬目指します。図１に模式的に⽰示すように、光マニピュレーション技術を駆使し、各溶液層から特定の分⼦子種を選択的に分離して液−－液界⾯面に濃縮させ、⾃自然には集まらない異種分⼦子を液−－液界⾯面などに配列集合させることで化学過程を物理的に制御する技術の確⽴立を⽬目指します。これによって、新規な界⾯面触媒粒⼦子の開発や、液−－液界⾯面の化学反応・光化学反応の⾼高効率化、新規界⾯面反応の開拓を⾏行っていきます。
これらの⽬目的を達成するためには、分⼦子・ナノ粒⼦子の⾃自在な光マニピュレーション技術、すなわち、共鳴・⾮非線形光学による分⼦子の単離、光輸送と拡散制御、単分⼦子濃縮、光圧下での対流・熱泳動制御のための諸因⼦子を、共同研究を通して明らかにしていきます。さらに、液−－液界⾯面における⾼高効率な触媒設計指針の確⽴立と化学反応メカニズムの解明を⽬目指します。計画
研究の各班・分担者や公募研究により得られる知⾒見と技術を余すことなく利⽤用できるように、

図１．光圧を用いる分子／粒子の選択的濃縮と、それを用いる液－液界面での異方性形状粒子の作製。

密接な共同研究を⾏行っていきます。

2

URL : http://optical-manipulation.jp/

科学研究費補助金新学術領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」
News Letter

若手国際活動報告
⼤大阪府⽴立⼤大学   ⼤大学院⼯工学研究科   電⼦子数物系専攻(A01 班：⽯石原   ⼀一   グループ)
申請課題

微視的理論による⾦金属ナノ構造の局在電場設計

期間

2017 年 1 ⽉月 6 ⽇日   -‑  3 ⽉月 5 ⽇日

訪問先研究者   Professor  Thomas  Garm  Pedersen  |      Aalborg  University,  Denmark
本国際活動では研究計画 A01「光圧を識る」への貢献を⽬目指し、2017 年 1 ⽉月 6 ⽇日から 3 ⽉月 5 ⽇日の約⼆二ヶ⽉月間に渡り国際共同研究を実施した。受け⼊入れ研究者である Aalborg ⼤大学ナノ物理⼯工学分野のThomas  Garm  Pedersen 教授は、ヨーロッパを代表する理論物理学者であり、最近では特に低次元材料系のプラズモニクスに関して精⼒力的に研究を⾏行っている。私はこれまで蓄積してきた固体光物性の知識と、受け⼊入れ先での研究ノウハウとを結びつけ、「⾦金属ナノ構造に誘起される光圧デザイン」の定式化を⾏行った。
Ø

研究活動

Pedersen 教授との最初の打ち合わせにおいて、これまでの⾃自⾝身の研究内容の説明と今回の研究提案を⾏行い、共同研究を始めることに賛同頂いた。その後は、定期的に進捗状況を教授に報告し、理論的なアドバイスや参考資料を提⽰示して頂いた。また、関連する研究を⾏行う Thomas  Søndergaard 講師に話を聞きに⾏行き、有意義な意⾒見交換を⾏行うことができた。
本期間中には⾃自⾝身の研究だけでなく、受け⼊入れ先の研究内容についても積極的に吸収するように努めた。
周りの Ph.D 学⽣生とも積極的に意⾒見交換を⾏行い、お互いにアドバイスし合った。留学後半には、三⽇日間かけて⾏行われる短期講座に⾃自主的に参加させて頂き、周りの Ph.D 学⽣生とともに数値計算ソフトウェアを⽤用いた低次元材料の電⼦子状態の解析⼿手法などを学ぶことができた。
Ø成果

本期間中の研究成果として、⾦金属ナノ構造における電⼦子集団運動の⾮非局所性を考慮した応答理論を定式化した。この理論により、従来多くの解析で⽤用いられてきた古典モデルの妥当性と適⽤用可能範囲を定量的に評価できる。さらに本理論を応⽤用すれば、古典モデルでは議論できない⾦金属のミクロな性質を反映した新たな光圧デザインやそれに基づく新奇現象の予測が可能となる。これらを踏まえ今後さらに理論を拡張することで、ナノ物質の任意配置・配向・操作を実現するための⾦金属構造を提案し、実験グループを巻き込んだ検証に結び付けたい。Pedersen 教授との話し合いの結果、帰国後も共同研究を続けていくことが決定した。
また、滞在先研究室内外の学⽣生やスタッフに対して⾃自⾝身の研究内容や成果を発信し、その重要性を積極的にアピールした結果、本学術領域のヨーロッパにおける拠点づくりに結びつく貢献ができたと感じている。今後、研究者間のネットワークをさらに広げ、リーダーシップを取って本研究を推進していきたい。
Ø

研究⽣生活に関して

⼤大学施設内の雰囲気は透明性が⾼高い印象で、各部屋の扉は外から中の様⼦子が⾒見えるように常に解放されていた。研究室には教授の他に２名のポストドクターと４名の Ph.D 学⽣生が在籍しており、主に低次元材料に対する静電場効果やプラズモニクスに関する理論的研究が⾏行われていた。主⾔言語はデンマーク語であるが、留学⽣生や海外出⾝身のポスドクも在籍していたため、多くの場合、英語で会話することがで
3

URL : http://optical-manipulation.jp/

科学研究費補助金新学術領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」
News Letter
きた。毎週⾦金曜⽇日の午前中には各研究室のスタッフを交えたコーヒーブレークの時間が設けられており、研究室以外のスタッフや学⽣生とも打ち解ける良いきっかけとなった。
Ø謝辞

研究室以外でもウェルカムパーティーやバドミントン⼤大会、帰国直前には Farewell パーティーを開いてもらうなど、⼤大変親切にして頂き充実した研究⽣生活を送ることができた。本国際活動を快く受け⼊入れて頂いた Pedersen 教授や Aalborg ⼤大学のスタッフの皆様、仲良くして頂いた学⽣生の皆様に感謝致します。また、新学術領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創⽣生」の領域代表である⼤大阪府⽴立⼤大学の⽯石原⼀一教授、国際活動として採択して頂いた千葉⼤大学の尾松孝茂教授ならびに、ご⽀支援頂いたスタッフの皆様に⼼心より感謝申し上げます。

開催報告
増原塾・Summer  Course・Workshop（2017 年 7 ⽉月 2-‑5 ⽇日   台湾国⽴立交通⼤大学）
7 ⽉月 2 ⽇日（⽇日）に台湾・国⽴立交通⼤大学増原研究室において「光圧ナノ物質操作」主催の増原塾を開催しました。また 7 ⽉月 3 ⽇日（⽉月）から 5 ⽇日（⽔水）まで台湾交通⼤大学と本領域の共催で Summer   Course   とWorkshop   を開催いたしました。本領域から Summer   Course 講師として領域メンバー４名が講義を⾏行い、また Workshop 講師としてさらに２名が講演いたしました。また増原塾・Summer  Course・Workshopには領域メンバーの研究室から学⽣生 24 名が参加しました。（報告書は別冊で発⾏行）

企業道場開催及びアウトリーチ企画会（2017 年 7 ⽉月 26-‑27 ⽇日   シグマ光機東京本社）
７⽉月 26 ⽇日（⽔水）にシグマ光機東京本社において企業道場を開催いたしましました。領域のアウトリー
チ活動で使⽤用する顕微鏡の実習を⽬目的に若⼿手研究者６名が参加しました。
また２⽇日⽬目（27 ⽇日（⽊木）の午後には参加者６名でアウトリーチ活動の⽬目的や今後の企画についてディスカッションを⾏行いました。（参加者レポートは別冊発⾏行予定）◆実習内容：
１）CU-‑education を⽤用いたレンズ結像の実習（レンズ結像）
２）CU-‑mini または CU-‑standard を⽤用いた光ピンセット系の構築実習（トラップ構築）
３）光ピンセットデータからトラップ弾性⼒力を解析する実習（弾性率計算）

アウトリーチ活動（2017 年 8 ⽉月 8 ⽇日   ⼤大阪⼤大学基礎⼯工学研究科）
8 月 8 日（火）の大阪大学基礎工学研究科高大連携物理・化学教育セミナーに合わせて、本領域の光ピンセットの体験実験を⾏行いました。企業道場に参加した若⼿手研究者が中⼼心となって企画し、⾼高校の先⽣生⽅方に実際に光ピンセット装置を触っていただき、マイクロビーズをトラップしていただきました。

告知板
2018 年 1 ⽉月 22 ⽇日（⽉月）-‑23 ⽇日（⽕火）に⼤大阪⼤大学基礎⼯工学研究科において本領域第２回公開シンポジウ
ムを開催いたします。
発⾏行   新学術領域研究「光圧ナノ物質操作」総括班
E-‑mail:  secretariat@optical-‑manipulation.jp
4URL : http://optical-manipulation.jp/