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 Vol. 7

December 27, 2018

『ノーベル物理学賞により加速する光圧の科学研究』

増原 宏 （台湾・国立交通大學理學院）
Arthur Ashkin 博⼠が 2018 年のノーベル物理学賞に輝いた。彼は 1970 年代初期に溶液中の⾼分⼦微粒⼦に光圧を印加する実験を発表し、1986 年に光ピンセットのアイデアを世に問うた。光が対象物体に⼒を及ぼすという現象は、古くは Newton、Maxwell の時代から多くの知識⼈、研究者の興味の対象となってきた。19 世紀末にはロシアのレベデフが光の圧⼒を証明する実験に成功している。数年後には夏⽬漱⽯の知るところとなり、彼の⼩説「三四郎」に光の⼒を測る実験のくだりが書かれている。
Mainman がレーザーの発振に成功する 60 年以上前のことである。そしてレーザーが発表されてから 26年後に、光ピンセットが実現した。この歴史は、原理的な発想が実験で証明され、その技術が開発され、やがてツールとして使われるレベルに達し、さまざまの科学技術分野に広がっていく、その時間の流れを⽰している。
私たちのグループの話で恐縮であるが、1988 年に ERATO 増原プロジェクトが新技術開発事業団（現JST）の創造科学推進事業として発⾜し、その研究トピックスの⼀つがこの光ピンセットを駆使した化学の研究であった。このテーマ設定と研究展開にあたっては、プロジェクト研究員笹⽊敬司博⼠（本新学術研究プロジェクトの事務局担当メンバー）の貢献が極めて⼤きかった。私たちは、光学顕微鏡に 1064nm レーザー光を集光し、溶液中の⾼分⼦微粒⼦の捕捉、操作、配列、微細加⼯の実験研究の先鞭をつけた。また溶液中のマイクロメートルサイズの単⼀微粒⼦、単⼀液滴、単⼀結晶を⼀粒ずつ焦点に保持し、時間分解蛍光分光、時間分解可視吸収分光、レーザー発振、電気化学的反応、接着、光重合、パターニングなどの研究を展開した。光ピンセットの化学研究は世界にさきがけてわが国で⾏われ、1993年までのその成果は「マイクロ化学」（化学同⼈、1993 年）にまとめられている。Ashkin 博⼠は 1997年に⾃らの光ピンセットの仕事を Proc. Natʼl Acad. Sci.誌に総説としてまとめているが、光ピンセットの 化 学 研 究 に つ い て は 増 原 ERATO プ ロ ジ ェ ク ト が ⾏ っ た と し 、 我 々 の 英 ⽂ 成 果 集 で あ る「Microchemistry」(Ed. by Masuhara et al., North-Holland, 1994)を引⽤している。
1990 年代中ごろから光ピンセットの化学研究の対象は、単⼀微粒⼦・単⼀液体から溶液中のナノ粒⼦、⾼分⼦、⽣体分⼦、分⼦クラスターに移った。これらは集光レーザービームのサイズより⼩さいので、多数捕捉され、ポテンシャル内で集合、会合、結晶化、組織化を⽰す。光圧特有の相転移、析出、
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配列などのダイナミクスを、ナノ粒⼦や⾼分⼦のサイズ、構造と関連付けて分⼦論的に論ずることができるようになった。通常光ピンセットの実験は液中で⾏われてきたが、最近では溶液表⾯、固体・溶液の界⾯、液液界⾯でこそ光ピンセット特有の化学現象が誘起されることが明らかになってきた。また物理化学的には、光圧に誘起される分⼦現象を⼒学計測、物理計測、分光計測しながら分⼦論的電⼦論的に解明する研究や、分⼦やナノ粒⼦が集合し構造を形成するダイナミックスを調べ材料化への展開を図る研究が盛んになっている。
⽯原新学術領域研究においては、このような化学研究のみならず、光物性、光学、マイクロナノテクノロジー、マイクロナノマシン、⽣物物理に広がる、世界的にも例を⾒ない包括的な光圧サイエンスを展開している。Ashkin 博⼠のノーベル賞決定より数年早く発⾜し、すでに独創的な新しい成果を次々と発表している。代表者をはじめ主要メンバーの先⾒の明に敬意を表したい。またこの機会に新学術研究の推進に関連して⽇頃思い、また今回 Ashikin さんのノーベル賞であらためて感じたことを述べさせてさせていただく。
第⼀に、いわゆるインパクトファクターの⾼い雑誌に投稿することが、各⽅⾯から求められているが、Ashkin さんの初期のオリジナルな論⽂は Physical Review Letters, Applied Physics Letters、光ピンセッ
トの論⽂は Optics Letters の専⾨誌である。その後バクテリア、ビールス、細胞に応⽤した仕事は、
Nature, Science に発表されているが、引⽤回数は前者の論⽂が数倍多い。また彼が組織的にバイオ研究を展開したわけではない。しかしノーベル賞の理由としては、「光ピンセットとその⽣物システムへの応⽤」と書かれている。この状況をしっかりと確認しておきたいと思う。
第⼆は、ノーベル賞に輝いた時からその研究分野に多くの研究者が集まり、そのサイエンスが圧倒的に広がるということである。私が若いころ関わった時間分解分光法の開発とそれを駆使した光化学の研究分野を⾒てみよう。時間分解分光におけるポンププローブ分光のアイデアもまた、レーザーが開発される 20 年くらい前に、イギリス海軍技術将校だった George Porter 教授が、海軍で無線の研究中に発想したものと聞いている。初期には限られた物理化学の専⾨家が⼿作りの装置で奮闘していたが、1967
年 George Porter 教授たちは時間分解分光を含む⾼速反応の研究でノーベル化学賞を受けると、時間分解で反応素過程を調べる研究は⼀般的に認められ急激に広がった。今では有機化学者、光合成を調べる光⽣物学者、太陽電池の開発技術者も使う必須の⼿法の⼀つとなった。光圧の科学技術にとって今年の2018 年はまさにこのような折り返し点であり、今後急激に光圧の研究と技術開発は加速すると期待される。光ピンセットの科学技術に関わる私たちにとってまことに喜ばしい追い⾵である。
第三は、しかし我々はそれでいいのかという意⾒もある。私は 1967 年の Porter 教授たちのノーベル賞受賞後の追い⾵のもと、ルビーレーザーを⽤いた時間分解の光化学、いわゆるナノ秒化学でデビューし、若いときに⼩さな成功体験を持ったと感じた。しかしその延⻑上に、量的拡⼤に次のサイエンスがあるとは思わなかった。レーザーのもつポテンシャルは強く実感していたので、80 年代に⼊る頃からレーザーを駆使した新しい分⼦現象の探索と解明に従事してきた。その⼀つが光ピンセットの化学研究で、今⽇の Ashkin さんのノーベル賞を幸せな気持ちで迎えた。この経験から、私は本当の研究のオリジナリティーを追求する本新学術の班員は、光圧の研究をしながら Beyond Photon Pressure を夢⾒て努⼒しているのだろうと思っている。⽯原新学術は、Beyond Photon Pressure、Post Photon Pressure、その種も⽣み出すだろうと期待している

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共同研究紹介超流動ヘリウム中のレーザーアブレーションによる CdSe 量⼦ドットの作製と評価
芦⽥ 昌明・蓑輪 陽介（⼤阪⼤学基礎⼯学研究科、A02 班）
我々のグループは、⼤阪⼤学の伊都グループとの共同研究を通じて、可視光域での発光材料として有名な CdSe 量⼦ドットの超流動ヘリウム中での作製とその単⼀粒⼦分光に成功しました。このレーザーアブレーションを⽤いた作製⼿法は、光マニピュレーションの理想的な舞台である、粘性が低くブラウン運動の影響も⼩さな超流動ヘリウム中に量⼦ドットを分散させることができる強⼒な⽅法となります。
これまで我々は、超流動ヘリウム中におけるレーザーアブレーションによって真球度や結晶性が⾼い半導体微粒⼦の作製に成功してきました。1) そのうちミクロンサイズのものの特性評価は詳細に⾏ってきましたが、2) ナノサイズのいわゆる量⼦ドットの単⼀粒⼦としての光学特性は未解明でした。今回、単⼀分⼦分光にも経験豊富な伊都グループと共同研究を⾏うことで、個々の量⼦ドットが良好な光学特性を⽰すことを明らかとすることができました。

粒子数

発光スペクトルのピーク波長4μm
波長 (nm)図 1 作製された CdSe 微粒子群の光学顕微鏡像

図2

CdSe 量子ドットの発光波長の分布

図 1 は作製された CdSe 微粒⼦の光学顕微鏡像の時間変化です。⾚丸内の輝点の強度が経時変化する明滅現象が⾒られることから、これらが単⼀の量⼦ドットからの発光であることがわかります。3) また、図 2 に⽰す通り、発光波⻑は 540-620nm の範囲にありました。サイズに応じて発光波⻑が変化する量⼦サイズ効果を明瞭に観測したものと考えられます。
この成果は、A02 班の共同研究の重要な課題となっている、理想的な極低温環境と実⽤的な室温環境各々における光マニピュレーションの橋渡しにも⼤きな⼀歩となるもので、超流動ヘリウム中で作製された量⼦ドットを室温環境下で特性評価できること、そして実際に良好な量⼦ドットとしての特性を⽰すことを明らかとしたとものと位置付けられます。理想環境下で作製された量⼦ドットやその配列構造の新規な機能が室温⼤気中でも期待されます。
参考⽂献：
1. S. Okamoto, et al., rts 4, 5186 (2014).
2. Y. Minowa, et al., Optics Express 25, 10449 (2017).
3. Y. Minowa, et al., Journal of Nanophotonics 13, 012506 (2019).
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若手トレーニング道場
本領域では、新しい研究領域開拓のために、異分野の⼿法の交流を通した若⼿研究者育成が不可⽋との観点から、異分野⼿法若⼿トレーニング道場の活動を⾏うこととし、８つ道場を開催しています。
A：光源制御道場（担当：尾松孝茂 千葉⼤学⼯学研究院）
B：微細基板技術道場（担当：笹⽊敬司 北海道⼤学電⼦科学研究所）
C1：超精密⼒計測道場（担当：菅原康弘 ⼤阪⼤学⼯学研究科）
C2：超⾼感度⼒計測道場（担当：秋⽥成司 ⼤阪府⽴⼤学⼯学研究科）
D：光圧捕捉実践道場 (担当：坪井泰之 ⼤阪市⽴⼤学理学研究科 / 伊都将司 ⼤阪⼤学基礎⼯学研究科)
E：微視的⾮局所光学応答理論道場（担当：⽯原⼀ ⼤阪府⽴⼤学⼯学研究科）
F：分⼦流体理論道場（担当：川野聡恭 ⼤阪⼤学基礎⼯学研究科）
G：微粒⼦合成道場（担当：⿃本司 名古屋⼤学⼯学研究科）

Ｂ: 微細基板技術道場

報告
笹⽊敬司（北海道⼤学電⼦科学研究所、A03 班）

2018 年 12 ⽉ 17 ⽇〜19 ⽇に北海道⼤学において、微細基板技術道場を開催しました。領域内 3 グループから 3 名の学⽣（院⽣ 2 名、4 年⽣ 1 名）が受講⽣として参加しました。初⽇の午前中、笹⽊研究室において様々な形状の⾦ナノ構造を⽤いた最近の研究やナノ加⼯の流れについての座学を⾏い、初⽇午後からは、本学のナノテクノロジー連携研究推進室の⼩⽥島特任助教に講師をお願いし、場所も創成科学研究棟のクリーンルームに移動して⾏いました。最初に、⼊室の仕⽅や注意事項について学んだ後、こちらで準備した⾦ナノトライマー構造の CAD および EB 描画装置による描画までを⾏いました。⼆⽇⽬も朝からクリーンルーム作業を開始し、、各⾃の描画した⾦ナノ構造基板のリフトオフ、洗浄を⾏いました。三⽇⽬には、各⾃が作製した⾦ナノトライマー構造の SEM 像観察を⾏い、終了となりました。各⾃が熱⼼に作業を⾏ない、ナノ構造作製の作業⼿順を⼀通り体験し、その雰囲気やテクニックを習得することが出来ました。

学⽣が試作した
⾦ナノトライマー構造

クリーンルーム内での作業の様⼦

アウトリーチ活動報告「分子科学研究所一般公開での光トラッピングデモ」
岡本 裕巳（分子科学研究所、A02 班）

去る 10 月 20 日（土）に、愛知県岡崎市の分子科学研究所一般公開が開催され、A02 計画研究の岡本の研究室の一部を一般市民に公開しました。研究室の公開では岡本グループの主要な計測装置である近4

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接場光学顕微鏡などの展示の他に、光トラッピングのデモンストレーションを行いました。ちょうど
Ashkin 博士のノーベル物理学賞受賞の報せがあった直後でもあり、その点も交えて説明しました。一般の市民の方々にとっては、強い光で微粒子が捕まること自体の説明にも驚きと不思議な感覚をお持ちのようでしたが、それを実際のデモ実験機で見ることによって、感激された方も多かったように見受けました。光の焦点にポリマービーズが吸い寄せられるところがビデオ画面上で映し出されると、しばしば「おー！！」という声が上がっていました。当日は分子研全体で 4000人近い市民が来訪し、岡本グループの研究室の入り口には常時大変な長い列の待ち行列ができており、ここだけでも恐らく 2000 人前後が訪れて、光トラッピングを見て行かれたのではないかと思われます。訪れた方々はそれぞれに光トラッピングの面白さを知って帰られたと期待しています。

「大阪大学共創 DAY@EXPOCITY にて〜光の力で小さな粒を捕まえよう〜」
横山 知大（大阪大学基礎工学研究科、A01 班石原 G）

大阪府吹田市のエキスポシティにて大阪大学のイベント
が 11 月 17 日（土）にあり、新学術メンバーである石原 G・芦田 G・伊都 G（宮坂研）の合同でデモンストレーション用顕微鏡（以下、デモ機）での光ピンセット体験を企画しました。
大阪大学に近いとはいえ、会場が一般の商業施設ということで、ご来場いただいた方は小学生低学年以下の子供たちとそのご家族が多く、子供たちの新鮮な反応に我々も癒されるイベントとなりました。小さなものが顕微鏡で見えるというだけで面白いようでしたが、それを光で摘んで、何より顕微鏡に触れるということを楽しんでもらえました。
複数個の粒子を一度につかめるとゲームの様に楽しめる様で、マイクロ流路をデモ機に活用できたらもっと印象に残るイベントにできるかなと思われます。また、大型のモニターがあると印象が強くなると思います。親御さんは子供たちの安全対策用ゴーグルの姿が嬉しいと写真を撮られていました。研究を身近に感じてもらうためには我々の発想とは異なる視点が必要だと痛感するものでした。さて、当日は非常に盛況で、４００人程度の来場者がありました。行列が出来てしまう程で、待ち時間などが今後の課題です。JAXA のイカロスなども絡めて紹介させて頂き、そもそも光が物を押せるということに驚いている方が多く、子供たちだけでなくご家族皆さんに楽しんでもらえたイベントになったと思います。
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News Letter2018 年 7 ⽉〜11 ⽉、領域メンバーが次のアウトリーチ活動を⾏いました。（上記除く）
⽯原 ⼀（A01 班⼤阪⼤学基礎⼯学研究科）

8 ⽉ 2 ⽇ 基礎⼯学部公開講座で市⺠向けに光圧に関する講演を⾏いました。
8 ⽉ 10 ⽇

阪⼤オープンキャンパス模擬講義（⾼校⽣向け）において光圧に関する講演を⾏いました。

坪井泰之（A04 班 ⼤阪市⽴⼤学理学研究科）

10 ⽉ 30 ⽇

⼤阪府⽴天王寺⾼校において、光ピンセットに関す SSH 講演を⾏いました。

11 ⽉ 14 ⽇

学校法⼈⼤阪医科薬科⼤学 ⾼槻中学校において、「⼆度のノーベル賞に輝く驚異の光マニピュレーションの世界」を講演しました
11 ⽉ 24 ⽇

私⽴⾼槻中学校において、光ピンセットに関する講演を⾏いました。

⿃本 司（A04 班

7 ⽉ 14 ⽇名古屋⼤学⼯学研究科）

愛知県⽴⻄尾⾼等学校において、光エネルギー変換、光圧、光化学の基礎に関する講演を⾏いました。
8 ⽉ 5 ⽇ ⼩中学⽣を対象として、理科に興味を持ってもらうための実験講座（光科学の基礎の授業と、太陽電池について受講者各⾃が試作）を、トヨタ産業技術記念館において⾏いました。
9 ⽉ 22 ⽇

名古屋⼤学⼯学研究科に愛知県⽴⻄尾⾼等学校の⽣徒さんたちをお迎えし、光に関する模擬実験を体験していただきました。
杉⼭輝樹（A04 班 奈良先端技術⼤学院⼤学（台湾国⽴交通⼤学））

11 ⽉ 16 ⽇

私⽴⾼槻⾼校の SSH 事業の⼀環で、⽣徒さんたちを台湾交通⼤学にお迎し、サイエンスレクチャーを⾏いました。
⾦⽥ 隆（公募班岡⼭⼤学⾃然科学研究科）

9 ⽉ 23〜25 ⽇ 岡⼭県⽴⽟島⾼等学校 SSH 事業の⼀環で、⽣徒さんたちを岡⼭⼤学理学部にお迎し、講演、実験、研究発表の指導を⾏いました。

告知板- 2019 年 1 ⽉ 23 ⽇（⽔）-24 ⽇（⽊）に名古屋⼤学において本領域第 3 回公開シンポジウムを開催いたします。
- 2019 年 11 ⽉ 11 ⽇（⽉）-14 ⽇（⽊）に⽣⽥神社会館（神⼾市）において、本領域共催の国際会議
The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics (iSPN2019)を開催いたします。

発⾏ 新学術領域研究「光圧ナノ物質操作」総括班
E-mail: secretariat@optical-manipulation.jp
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