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. 6

November 27, 2018

『三四郎がみた光圧』

河田 聡（ナノフォトン株式会社、セレンディップ研究所）
夏⽬漱⽯という⽂学者は、科学とくに『光』に興味があったように思います。『三四郎』に、こんなくだりがでてきます。
『⽇は丘の向こうから、⽊⽴と⼥性と⾚煉⽡の建物を横に『光』を通していた。』『この時三四郎の受けた感じはただきれいな⾊彩だということであった。』『⻘い空の静まり返った上⽪に⽩い薄雲が刷⽑先でかき払ったあとのように、筋かいに⻑く浮いている。』野々宮博⼠が⾔います、『あれはみんな雪の粉ですよ。こうやって下から⾒ると、ちっとも動いていない。しかし、あれで地上に起こる颶⾵以上の速⼒で動いているのですよ。』
⼩説『三四郎』では、⼩川三四郎が野々宮宗⼋の実験室で光圧実験を⾒ます。しかし、夏⽬漱⽯が五⾼時代の⽣徒である寺⽥寅彦の実験室で⾒たのは、本当は弾丸の⾶⾏の気波のシュリーレン写真でした。
光圧測定の実験は、寺⽥がたまたま読んでいた論⽂を説明しただけらしいのです。
ちなみにこのシュリーレン法は、フックの法則やフックの顕微鏡で知られるあのロバート・フックの発明です。実は細胞をセルと名付けたのもフックです。重⼒についてもニュートンより先に発表しており、ニュートンとは光の波動性と粒⼦性について激しく争っています。
さて、野々宮博⼠は『雲⺟か何かで⼗六武蔵ぐらいの⼤きさの円盤を作って、⽔晶の⽷でつるして真空のうちにおいて、この円盤の⾯に弧光燈の光を直⾓にあてると、この円盤が押されて動く』と説明します。三四郎が尋ねます。『野々宮さん、⽔晶の⽷がありますか』『⽔晶の粉をね、酸⽔素吹管の炎で溶かしておいて、両⽅の⼿で左右に引っ張ると細い⽷ができるのです。』要するに、今で⾔う光ファイバーです。
⼩説『三四郎』は今からちょうど 110 年前、1908 年に出版されました。この⽂芸⼩説に描かれている 110 年前と現代と、光圧を含む先端科学研究はどちらがより⼤胆で挑戦的で先進的でしょう。最近の研究には、意外性が少なくなっているような気がします。できることしかやらない？私の友⼈（歳の離1

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News Letterれた）は今、⼈⼯流れ星の実験とエンタテイメントとしてのビジネス化を⽬指しています。すばらしい挑戦です。光圧なら⼈⼯彗星の実験も⾒てみたいですね。SF の世界では光圧宇宙船や光圧ロボット（マジンガーZ は光⼦⼒で動くらしい）、太陽帆（ソラーセイル：これは SF のみならず実⽤化している）など、楽しそうです。
私⾃⾝も、25,6 年前に少し光圧実験に関わりました。ナノ微粒⼦や⾦属薄膜を放射圧で空中に浮かせたり、導波路や表⾯プラズモンで⾛らせたり浮かせたり、抗原抗体反応の⼒を測定したり、円偏光で微粒⼦を回したり、近接場顕微鏡プローブを放射圧で⾛査したりして、楽しみました。そのときに⼀緒に研究をした杉浦忠男君は、いま熊本にいます。熊本は『三四郎』の出⾝地です。三四郎は熊本から上京する汽⾞で、⼥性の『⾊』が京⼤阪に近づくにつれ次第に⽩くなると気づきます。いまだと差別的かもしれませんが、素直に科学的に『⾊』の話です。細川藩の熊本は、地⽅都市です。地⽅分権国家であるアメリカや中国では地⽅都市はますます元気ですが、⽇本では元気がありません。⼤政奉還はともかく版籍奉還は間違いでした。⽇本もそろそろ中央集権⾏政から脱却して、地⽅の⼤学や産業、都市が元気になるような税制や⾃治制度を復活するのが良いと思います。
例によって話が逸れました。昨年の 1 ⽉にキックオフでのお話しさせていただいた内容の⼀部を、巻頭⾔に代えさせていただきます。以下、本稿の出典の⼀部です。
夏⽬漱⽯『三四郎』, 岩波⽂庫, 1908 ： 河⽥聡『三四郎が⾒た光と⾊の科学』, OplusE, 2009 ：⼩宮豊隆『夏⽬漱⽯先⽣の追憶』, 寺⽥寅彦随筆集第 3 巻, 岩波⽂庫：渡辺正隆『⼀粒の柿の種』（岩波「科学」に連載）, 岩波書店，2008 ： 中島秀⼈『ロバート・フック：ニュートンに消された男』,
朝⽇選書, 1996

共同研究紹介集光レーザー型光ピンセットによる⼋⾯体⾦ナノ粒⼦の捕捉
坪井 泰之・東海林 ⻯也（⼤阪市⽴⼤学理学研究科）
我々、坪井グループは⿃本グループ（名⼤）、飯⽥グループ（阪府⼤）との共同研究 C「分⼦の選択的⼒学操作を通した化学過程の制御」により、光圧により⼋⾯体⾦ナノ粒⼦を捕捉することで、ナノ粒⼦の配向を制御できることを明らかにしました。
⾦や銀などの貴⾦属ナノ粒⼦は、その⼤きさや形状、配向などに応じた特異な光物性を⽰します。この貴⾦属ナノ粒⼦を特定の向きに揃えて並べることができれば、表⾯増強ラマン散乱に代表される⾼感度分析⼿法に利⽤できますが、それらの配向を溶液中で⼈為的に制御することは困難を極めます。
そこで本研究ではナノ粒⼦の配向制御を⽬指し、⽔溶液中の⼋⾯体⾦ナノ粒⼦を集光レーザー型光ピンセットにより捕捉し、その捕捉挙動を顕微レイリー散乱分光法により明らかにしました。⿃本・⻲⼭
らが合成した⼋⾯体⾦ナノ粒⼦が分散した⽔溶液に、近⾚外レーザー光を集光することで、ナノ粒⼦の光捕捉に成功しました。捕捉したナノ粒⼦は、局在表⾯プラズモンに由来する波⻑ 600 nm 付近の光を強く散乱するため、鮮やかなオレンジ⾊を呈します。今回我々は、この⾦⼋⾯体ナノ粒⼦を光捕捉すると、オレンジ⾊から緑⾊や⻩⾊に散乱光が⼀時的に変化する現象を発⾒しました。これは、これまでの光捕捉では⾒られなかった興味深い現象です。
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この現象を明らかにすべく、顕微レイリー散乱分光法を実施しました。その結果、集光スポット内でナノ粒⼦を 2 個同時に光捕捉すると、650 nm 付近に新たな散乱ピークが出現することがわかりました。これは、2 個のナノ粒⼦がある特定の配向状態を保って光捕捉されていることを⽰唆しています。この実験結果を理論的に解明すべく、飯⽥・⽥村らは有限要素法を⽤いて、ナノ粒⼦⼆量体の散乱断⾯積の波⻑依存性を数値計算しました。このときナノ粒⼦⼆量体は、頂点と頂点が接近した配向や⾯と⾯が接近した配向など、いくつかの配向パターンが考えられます。これらをつぶさに解析した結果、光ピンセット

1 μmにより形成したナノ粒⼦⼆量体は、頂点と頂点が接近した配向をとっていると結論付けられました。
以上、本研究では溶液中で⾃然発⽣的に作ることが難しい貴⾦属ナノ粒⼦の配向を、光圧により⼈為的に制御することに成功しました。このような光圧により配向制御したナノ粒⼦を⽤いることで、光化学反応の反応性・選択性の向上や新奇光反応の開拓が期待できます。

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、次の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）
レーザー共振器設計の基本と連続波、Q スイッチ、モードロックなどのレーザーの基本動作を理解する。
また、発振したレーザー光の波⻑変換や波⾯変調するための基本的な概念を理解する。初⼼者でも⽐較的発振させやすい半導体レーザー励起 Nd:YVO4 レーザーを取り上げ、レーザー発振(連続波・パルス)させて、ビーム品質や⾃⼰相関波形を計測する。さらに、空間変調器を⽤いて発振させたレーザー光の波⾯変調を⾏い、光渦を発⽣させる。

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）
単⼀分⼦トラッピング・ナノマニピュレーションに活⽤するプラズモニックナノ構造体を作製する微細加⼯技術について、基礎知識から最先端技術のノウハウを領域の若⼿研究者・学⽣に伝授するとともに、実習実験を積み重ねて局在プラズモンに関する知⾒・データベースを領域全体で共有化し、各グループの技術と融合させることによりプラズモニックナノ操作技術を深化させて、領域共同研究の基盤とする計画である。履修内容は、①ナノバターン作製のための基礎的な技術に関する講義、②電⼦ビーム描画装置を⽤いたナノバターン形成実習、③スバッタ装置を⽤いたリフトオフ法によるナノ構造作製実習である。

C1：超精密⼒計測道場（担当：菅原康弘 ⼤阪⼤学⼯学研究科）
微弱な⼒を⾼感度・⾼分解能に検出する計測技術を修得する。具体的な課題としては、①カンチレバーの⼒学特性とノイズ源について理解する、②⾼感度変位測定技術とノイズ源について理解する、③原⼦
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間⼒顕微鏡による表⾯原⼦の撮像法を理解する。修⾏内容は、①微弱な⼒を⾼感度に測定するセンサーであるカンチレバーの⼒学特性を測定および様々なノイズ源の⾼感度な評価、②光の振れ⾓からカンチレバーの微⼩変位を測定する光てこ変位検出法の修得、周波数変調⽅式を⽤いた⼒検出法の修得、カンチレバーの機械的共振現象を⽤いた⼒の⾼感度検出の原理の理解、③⼤気中で様々な表⾯に働く原⼦間⼒を⾼感度・⾼分解能に測定する⽅法の修得である。

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）
履修科⽬は、①センサテバイス作成技術、②センサによる簡易測定系構築（⾝近にある装置を使って）、③測定の⾼度化の 3 項⽬である。具体的な履修内容としては、①センサデバイス作成技術：CNT, 2D
材料を⽤いた⼒計測テバイスを微細加⼯技術（フォトリソグラフィ、超臨界乾燥装置など）を使って作成が出来るようになる、②センサによる簡易測定系構築：光学顕微鏡や SEM といった汎⽤機器とパソコンを⽤いた画像解析による簡易測定法を習得する（特に今回のプロジェクトでは光学顕微鏡はほぼすべての研究機関が有しているため、製作したテバイスを簡単に持ち帰って試すことが出来る）、③測定の⾼度化：専⽤の測定装置を⽤いた画像処理だけによらない⾼感度な計測技術を学び取る（PLL による共振周波数トラッキングなど）。

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)
履修項⽬は、①レーザー光ピンセットの原理と装置の理解、②レーザー光ピンセットの光学系アライメントと分光計測、③プラズモン光ピンセットの実践である。具体的な内容としては、①レーザー光ピンセットの原理と装置の理解（光圧の原理と、光ピンセットの装置構成を理解する）、②レーザー光ピンセットの光学系アライメントと分光計測（実際に光学系に触れ、蛍光⾊素担持ポリスチレンビーズを光捕捉する光学系を構築するとともに、捕捉したポリスチレン粒⼦の顕微蛍光スベクトルを測定する）、③プラズモン光ピンセットの実践（⼊⾨⽣希望に応じた履修コースとして、貴⾦属ナノ構造を組み込んだ試料セルの製作やその取扱いを学び、プラズモン光ピンセットによるナノ粒⼦捕捉を実践する）ことである。

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）
履修科⽬は、①⾃⼰無撞着計算の原理習得、②光圧の具体的計算法、③計算プログラム使⽤法である。
具体的な内容としては、③⾃⼰無撞着計算の原理（⾦属構造とナノ微粒⼦が共存する系では、光圧はナノ微粒⼦に対する外場だけでは評価できず、⾦属、ナノ微粒⼦、光の運動が⾃⼰無撞着に決まった結果得られる場を⽤いる必要があり、このような光学応答の原理を学ぶ）、②光圧の具体的計算法（Maxwell
⽅程式の基礎から実際の計算まで学び、⾃⼰無撞着な場が決まれば体積積分、或いは表⾯積分などを⽤いて光圧を計算する）、③プログラムの使⽤法（上記、⾃⼰無撞着計算のために組まれたプログラムの使い⽅を習得し、⾃⾝の実験結果の解析を⾃分で出来るようにすると共に、必要なインターフェースを⾃ら構築してもらうこともある）である。

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）①マクロスケールの流動現象を⽀配する Navier-Stokes ⽅程式に関し、有限差分法に基づく離散化スキームおよびその緩和法等を⽤いた陰解法シミュレーション技術を学ぶ。Fortran プログラミングにおけ
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る⾼速化および⾼精度化、シミュレーション結果の可視化技法の演習も⾏う。②ナノ・マイクロスケー
ル流動現象に対する統計⼒学的⼿法について、⽀配⽅程式となる Langevin ⽅程式や Boltzmann ⽅程式の背景と基礎を学ぶ。分⼦間衝突項のモデリングや、確率論的⼿法に基づく数値解析法の数理とプログラミング技術を修得する。③導⼊として、エネルギー最⼩原理に基づく変分法と第⼀原理計算による分⼦構造および電⼦状態解析の基本を学ぶ。光に共鳴する励起状態の計算⼿法についても紹介する。電⼦状態の時間変化に対するモデリング技術、⻑時間平均の安定化⼿法等、プログラミングを⾏いながら修得する。さらには、Schrödinger ⽅程式に基づく電⼦スケールと分⼦動⼒学法に基づく分⼦スケールを繋ぐ、新しい数理物理とその数値解析⼿法を学ぶ。

G：微粒⼦合成道場（担当：⿃本司 名古屋⼤学⼯学研究科）
量⼦ドットと呼ばれる半導体ナノ粒⼦は、そのチューナブルな物理化学特性を利⽤して発光素⼦⽣体分⼦マー⼒ー等への利⽤が進んでいる。しかし市販されている Cd 系量⼦ドットは⾼毒性元素を含むために、実⽤⽤途には向かない。現在、ZnS-AgInS2 固溶体（ZAIS）からなる量⼦ドットが、低毒性元素で構成されていること、粒⼦組成やサイズの制御によって⾃在に光学特性を変調できることから、次世代の量⼦ドットとして注⽬されている。本道場では、量⼦ドットの液相化学合成法の基礎を学ぶとともに、⿃本 G（名古屋⼤学）が開発した ZAIS 粒⼦について、そのサイズ・形状制御法を習得し、光学特性の変化を観察する。

D：光圧捕捉実践道場

報告
伊都将司（⼤阪⼤学基礎⼯学研究科、A02 班）
坪井泰之（⼤阪市⽴⼤学理学研究科、A04 班）

本年 10 ⽉ 16 ⽇~18 ⽇、坪井グループ、伊都グループの研究室メンバーが講師となり、光圧捕捉（レーザー光ピンセット）実践道場を⼤阪市⽴⼤・坪井研究室で開催しました。受講⽣は領域内 3 グループから 5 名の⼤学院⽣でした。初⽇、東海林講師（坪井 G）が講義形式でレーザー光ピンセットの駆動原理と光学系構築のポイントを解説しました。⼆⽇⽬は実験室に移動し、2 台の光ピンセットブースに分かれ、顕微鏡にレーザーを導⼊する光学系の調整から実技トレーニングがスタートしました。受講⽣たちは⼆⽇間の実技トレーニングにより、捕捉光学系の構築、観察と分光計測光学系の構築から光学微粒⼦を実際に捕捉し、その蛍光スペクトルを測定する⼀連のテクニックを習得することが出来ました。

国際会議報告「第１２回凝縮系における励起子及び光学過程国際会議」
石原一 （大阪府立大学工学研究科）

2018 年 7 月 9 日～13 日、本新学術領域を共催として第１２回凝縮系における励起子及び光学過程国際会議（12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano
Materials：EXCON 2018）が奈良春日野国際フォーラム甍において開催されました。EXCON は「バルク5

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News Letterから分子材料・生体物質等を含むナノ構造体までの様々な凝縮系の励起状態」を議論する場として、1994
年に Darwin（オーストラリア）で第１回が開催され、豪州、欧州、北米大陸、日本で回り持ち、今回で12 回目を迎えています。今回の会議では新学術領域メンバーが中心となる「光圧特別セッション」が設定され、光圧科学の最前線がアピールされました。
本会議にはプレナリー講演者としてお招きした THz・超高速量子光学の分野で著名な Alfred
Leitenstorfer 教授 (ドイツ、コンスタンツ大学)、有機エレクトロニクスの権威、安達千波矢教授（九州大学）をはじめとして、13 ヵ国より 250 名を超える参加者があり、有機材料、２次元物質からプラズモニクスなどを含む最先端のトピックスについて議論されました。光圧セッションでは領域代表のプロジ
ェクト紹介に引き続き、デンマークからお招きした Lene B. Oddershede 教授、中国からお招きした
Xiaohao Xu 博士、また領域からは笹木敬司、岡本裕巳、尾松孝茂の各計画研究代表者により、それぞれの先端的研究が紹介されました。さらに領域の若手研究者による力の入った講演もなされ、印象的なセッションとなりました。また EXCON2018 では一般講演においても本新学術領域から多数の参加があったことが特徴的で、本領域のプレゼンスを大いに高める会議となりました。
バンケットでは奈良の利き酒を楽しみ、またエクスカーションでは法隆寺の世界遺産の数々を鑑賞した後、茶の湯・わび茶発祥地にある慈光院などを訪れ、国内外の参加者が奈良の文化を満喫しました。さらに最終日には奈良コンベンションビューロー、及び東大寺の特別な計らいで、通常は入れない大仏像の直近での見学会があり、多くの参加者が東大寺住職の直々の解説を楽しむことが出来ました。
次回の EXCON はスウェーデンのルンドでの開催が予定されています。そのときには再び本新学術の大きな成果が披露

奈良春日野国際フォーラム甍正面玄関での集合写真できることを期待しています。

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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