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. 10

March 10, 2020

Message to the “Nano-Material Optical Manipulation” project
Johan Hofkens (KU Leuven, Belgium)
Among many other discoveries, the 20th century was the age of electronics, resulting in disruptive
technological developments in fields as diverse as computation, telecom and biomedical analysis. Our
digital society owes its existence to the clever scientists and engineers who identified the potential ofsemiconductors to manipulate charge transport and storage. As much as electronics was a breakthroughtechnology, it has become clear over the past decade that 'photonics' is the technology of the future.
Photonics already permeates our everyday life in the form of the internet (datacom), biomedical analysis
and displays. The use of light to transmit, store and acquire information offers several advantages such as
reduced energy consumption, higher data bandwidth and switching speed, highly sensitive and direct
identification of molecules, neural networks. In recent years, the advent of quantum optics has added awhole new chapter to the field of photonics. Disruptive applications such as quantum computers andunhackable cryptography are becoming a reality. At the root of photonics lies innovative materials
science. Although this is a statement that might be applicable to many advanced technology platforms, it
is particularly justified for applications that rely on absorption, modulation and emission of light,
especially when going down to the level of a single quantum; the photon. It is precisely at this stage that
nanotechnology comes into play. The ability to shape and control matter on the nanoscale brings about
more performant and all-together new optical properties - such as multi-exciton generation, just to nameone. The project Nano Material Optical Manipulation perfectly ties in with the aforementioned
description and even aims at pushing the boundary of photonics / nanomaterials one step further byadding the dimension of manipulating optical properties! Hence the aim of the project is definitively
timely and at the very forefront of modern optics and photonics research. The project has taken a leadingrole in the international research scene. The new research ideas put forward are very ambitious yet
realistic in view of the past track record of the consortium. I was very happy to see the development of atheoretical framework in support of the new experimental data and observations that are expected in the1

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remainder of the project. This is a particular strength of the project. Also, the very ambitious plan of atleast trying to exploit some of the new findings is something that I very much appreciated. This is a
top-notch project at the fore front of modern optics and nanomaterials research that with the potential
toredefine the international standards in the field.

共同研究紹介ナノ流体デバイスと光圧の融合による単⼀ナノ粒⼦の精密操作
許 岩（⼤阪府⽴⼤学⼯学研究科、公募研究）細川 千絵（⼤阪市⽴⼤学理学研究科、A01 班）
本共同研究では、新規 3D ナノ空間ケージ効果に基づくナノ粒⼦のトラップ法[1]に、光圧による⼒学操作を融合する斬新な⼿法を構築しました[2]。具体的には、独⾃のナノ流体⼒学操作と光圧の相乗効果を究明することにより、ナノ粒⼦に対するナノ流体⼒学操作の限界を超え、ナノ流体環境においてナノ粒⼦の 1 粒⼦精度・複合的な操作と精密な配置に成功しました。この成果は、光圧とナノ流体デバイスの初めての融合によるものであり、流体環境で単⼀ナノ物質を多様な形で精密に制御し、操作する道を開いたといえます。
微⼩粒⼦や物質の操作によく利⽤される光圧は、ナノ物質に働く⼒があまりに⼩さく、また環境との相互作⽤とも拮抗してしまうため、流体環境において光圧だけではナノ粒⼦の精密操作、配置が困難です。⼀⽅、近年、化学・バイオ技術にオーダーシフト⾰命をもたらすナノ流体デバイス技術（図参照）が注⽬されています。ナノ流体デバイスとは、ナノメートルサイズの流路（ナノ流路）が彫り込まれた数センチ四⽅のガラス板のことで、極微⼩流体実験環境が提供できます。ナノ流体デバイス
内の制御されたナノ流体環境は、ナノ物質の可能性を探求し、新しい物質や機能を発現するための前例のない舞台となることが期待されます[3]。この舞台において、物質の機能をユニークなナノ流体の物理現象と図 ナノ流体デバイス

巧みに接合し、同時にナノ物質の特性に直接影響を与える極微⼩空間の特徴を⼗分に活⽤することにより、様々な創造性をもたらします。そこで、本共同研究では、ナノ流体環境として Nano-in-Nano 構造[4]内のナノ粒⼦のブラウン運動が局所的に制限、抑制できる 3D ナノ
空間ケージ効果といったナノ流体デバイスにある特別な物理現象と集光レーザービームの光圧とを融合し、上記の共同研究成果を⽣み出しました。
ナノ粒⼦は様々な分野で広く利⽤されるナノ物質の代表であり、その操作と秩序の創⽣は本新学術領域の重要な課題です。上記の共同研究成果をさらに進展させることにより、光圧による単⼀ナノ粒⼦の選別的精密な操作という挑戦課題の解決が期待されます。ナノ流体デバイスと光圧との融合により、従来不可能であった液相においてナノ粒⼦の所望の秩序を⼈為的に創⽣したり、機能的現象を個別・選択的・⾃在に引き起こしたりすることができるようになり、ナノ粒⼦に基づく研究と応⽤の⾰新的な発展を導き、光圧ナノ物質操作領域の推進に⼤きく貢献できると考えています。
[1] Y. Shimatani, Y. Xu, Proc. MicroTAS, 1556-1558 (2018).
[2] S. Nishioka, T. Kishimoto, C. Hosokawa., T. Kawabata., T. Tsujikawa, T. Nomura, S. N. Kudoh, Y.
Xu, Proc. MicroTAS, 416-418 (2018).
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News Letter[3] Y. Xu, Adv. Mater., 30, 1870019 (2018).
[4] Y. Xu, N. Matsumoto, Q. Wu, Y. Shimatani, H. Kawata, Lab Chip, 15, 1989-1993 (2015)

共同研究紹介光のスピンと軌道⾓運動量によるナノ粒⼦集団の光圧誘起公転運動の制御理論
⽥村 守、飯⽥ 琢也（⼤阪府⽴⼤学理学系研究科／LAC-SYS 研究所、A04 班）
我々のグループは、計画研究 A04「光圧で拓く:多粒⼦相互作⽤の選択的制御による構造と現象の創造」
における尾松 G(千葉⼤)との共同研究により、スピンと軌道⾓運動量を持つレーザー光を照射されたナノ物質の集団的な公転運動の光圧による制御原理を解明しました[1]。
光の散乱や吸収を通じて運動量を転写することで物質を押すことができることは良く知られていますが、光の⾓運動量の転写によって物質を回転させることも可能です。これまで、スピン⾓運動量を持
つ円偏光は微粒⼦の⾃転を、軌道⾓運動量を持つ光渦は微粒⼦の公転を誘起すると考えられてきました。
⼀⽅で、光渦のスポットよりも⼤きな数ミクロン以上の単⼀粒⼦を光の軌道⾓運動量によって⾃転できることも知られています。しかしながら、スピンと軌道⾓運動量の共存下でスポット径より⼗分⼩さなナノ粒⼦集団がどのように振舞うかは未知でした。
今回の研究では、このような背景の下、常温⽔中で周囲の⽔分⼦のランダムな衝突による熱揺らぎの下で、円偏光光渦により複数のナノ粒⼦を捕捉した場合のダイナミクスの解明を、我々が独⾃開発した「光誘起⼒ナノ動⼒学法(LNDM)」[2]を駆使して試みました。下段の図は 5 個の⾦ナノ粒⼦(直径 70 nm)に左・右円偏光の光渦を照射した際の動⼒学解析を実施した結果です。初期配置(破線)から、2 ms 後の配置を評価した結果です。明らかに、光渦の軌道⾓運動量と同符号のスピン⾓運動量を持つ左円偏光の⽅が、異符号の右円偏光よりも粒⼦の公転運動の同⼀時間での移動距離が⻑く、その回転速度が速いことを確認しました。ある特定の粒⼦数でこの加速現象が共鳴的に増⼤する条件も⾒出しており、粒⼦間相互作⽤により局在表⾯プラズモン左右の共鳴波⻑が、照射光の波⻑に近づくことで⽣じたと考えられます。
今回の研究は、過去に知られていなかったナノ粒⼦間の相互作⽤を介した光のスピン軌道相互作⽤に基づく⾮従来的な光操作の新原理を解明したものであり、多彩なレーザー加⼯技術やナノ粒⼦を⽤いたバイオ分析技術などへの貢献が期待されます。特に、本新学術領域のキーワードの１つである「粒⼦間相互作⽤」による階層的構造作製に関する重要な知⾒であり、更に現在、尾松 G が推進する光渦によるカイラル構造形成の実験の機構解明[3]や、「共同研究 B 粒⼦間相互作⽤の制御と結晶等の階層構造創製」、「共同研究 C 分⼦の選択的⼒学操作を通した化学過程の制御」に関連し、上述の LNDM を⽤いた坪井 G や⿃本 G との発展的な共同研究も推進しています。
[1] M. Tamura, T. Omatsu, S. Tokonami, T. Iida, Nano Lett., 19, 4873 (2019).
[2] T. Iida, J. Phys. Chem. Lett., 3, 332 (2012).; M. Tamura, T. Iida, Nano Lett., 12, 5337 (2012).
[3] ⽥村守、尾松孝茂、飯⽥琢也、第 67 回応⽤物理学会春季学術講演会、14p-B408-10 (2020).

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開催報告・活動報告
第 4 回公開シンポジウム（2020 年 1 ⽉ 27 -28 ⽇）の開催

1 ⽉ 27 -28 ⽇に⼤阪⼤学基礎⼯学研究科において本領域第４回公開シンポジウムを開催しました。
領域メンバーによる⼝頭発表、ポスター発表に加え、今回は⽯原領域代表と A03 班班⻑笹⽊によるチュートリアル講演を⾏いました。
（チュートリアル講演）「光圧の物理」 領域代表・A01 計画研究代表者 ⽯原 ⼀
「光圧操作の基礎と応⽤」 A03 計画研究代表者 笹⽊ 敬司

領域メンバーによるアウトリーチ活動
A01 班

⽯原⼀（⼤阪府⽴⼤学 ⼤学院⼯学研究科）

2019 年５⽉２⽇

⼤阪⼤学いちょう祭において光ピンセットの実演を⾏いました。

2019 年８⽉９⽇

⼤阪⼤学基礎⼯学部オープンキャンパスにおいて模擬講義を⾏いました。

2019 年 10 ⽉ 31 ⽇ 岡⼭操⼭⾼校において模擬講義を⾏いました。
A03 班

笹⽊ 敬司（北海道⼤学 電⼦科学研究所）

2019 年 5 ⽉ 23 ⽇

ナレッジキャピタル超学校「⽇本の研究最前線」第 17 回において、「光ピンセットが拓く新しいナノ科学の世界」のタイトルで⼀般市⺠にむけた講義をおこないました。
2019 年 8 ⽉ 8 ⽇

第 36 回物理教育研究⼤会において、⾼校の物理の先⽣⽅にむけて「光のピンセット」のタイトルで特別講演を⾏いました。
A04 班

坪井 泰之 （⼤阪市⽴⼤学 ⼤学院理学研究科）

2019 年 10 ⽉ 23 ⽇ SSH 私⽴⾼槻⾼校において講演を⾏いました。
A04 班

杉⼭ 輝樹（奈良先端科学技術⼤学院⼤学 物質創成科学研究科）

2019 年 11 ⽉ 9 ⽇

SSH ⼤阪⾼槻⾼校 2 年⽣ 97 名を台湾交通⼤にお迎えし、サイエンスの講義を⾏い、その中で新学術の研究成果について紹介しました。
2019 年 12 ⽉ 26 ⽇ ⼤分県選抜 SSH ⾼校 2 年⽣ 18 名を台湾交通⼤にお迎えし、サイエンスの講義を⾏い、その中で新学術について紹介しました。
A04 班

⿃本 司（名古屋⼤学 ⼤学院⼯学研究科）

2019 年 8 ⽉ 4 ⽇

トヨタ産業技術記念館（名古屋）において⼩中学⽣ 20 名に対して⼩・中・⾼向け週末ワークショップを⾏い、光科学の基礎の授業と太陽電池について受講者による試作を⾏いました。
公募研究代表者

⽯坂 昌司（広島⼤学 ⼤学院理学研究科）

2019 年 8 ⽉ 21 ⽇ 第 50 回広島県私学教育研修会において「光ピンセットで雲をつかむ」のタイトルで講演を⾏いました。
公募研究代表者

⻄⼭ 雅祥（近畿⼤学 理⼯学部）

2019 年 10 ⽉ 30 ⽇ ⼤阪星陵⾼等学校において、「顕微鏡下で操る⽣命」のタイトルで講義を⾏いました。
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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