伊藤治彦研究室 ―研究室紹介 #11―

電気電子系では、最先端の研究施設と各分野で活躍中の教員の直接指導により、学生でも世界に誇れる研究成果を出し、自分自身で発表することができます。電気電子系には、大きく分けると「回路」「波動・光および通信」「デバイス」「材料・物性」「電力・エネルギー」の5つのグループがあります。各教員はいずれかのグループに所属しており、研究室単位での研究が行われています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、ナノ空間でデザインした光を使って原子を操る、伊藤治彦研究室です。

研究分野	アトムフォトニクス、ナノフォトニクス、量子エレクトロニクス
キーワード	原子操作、ナノ光相互作用、原子・スピン機能素子、レーザー冷却、近接場光
Webサイト	伊藤治彦研究室

研究テーマ

情報処理システムの高機能集積化が進み、ナノメートルを超えて原子スケールへのダウンサイジングが必要となってきました。究極的には1個の原子で構成される素子に行き着きます。こうした極小の世界では従来の電子・光デバイスの動作原理が破綻し、量子力学や近接場光学に則った原理で動作させなければなりません。本研究室では、レーザー冷却技術とナノ寸法の局所的な光の場である近接場光を用いて原子を個別選択的に制御し、原子の量子性やスピンを機能化したデバイスおよび近接場光の特性を生かしたナノ光相互作用で動作するデバイスの開発に取り組んでいます。レーザー光に代わる次世代の光技術の担い手と期待されるナノの光で科学の未来を描きます。

最近の研究から

ナノ空間をデザインする

原子を個別的に制御する空間を、ナノの光で創りだします。例えば、図1のように、8個の格子点に配置した近接場光によって原子を力学的に閉じ込めます。これまでに、シリコン基板を微細加工して、中央に原子捕獲用のナノスペースを有する十字構造体を作製しています。図2に断面を示します。下方からレーザー光を照射すると、斜面部のAu層に沿って表面プラズモン-ポラリトン（SPP）が伝播し、境界端面で近接場光が発生する仕組みです。原子の量子性を機能化する素子の端緒として、量子ジャンプによって超高速動作する光子ゲートなどへ応用します。

ド・ブロイ波の回折限界を超えて

ナノ光トラップに原子を送り込んだり、原子レベルでナノ構造をつくるのに用いる近接場光レンズの開発を行います。シリコン微細加工によって作製した中空逆ピラミッド構造の底面微小開口の周囲に近接場光を誘起し、入射原子を双極子斥力によって収束して出力します。レーザー冷却原子を用いると、数ナノメートルのスポットに集められることを数値シミュレーションによって確かめています。このデバイスでは、ド・ブロイ波のスクイージングという新しいコンセプトを用いるのが特徴です。図3にフォーカシングの様子を示します。

スピンクラスターの実現に向けて

回折限界を超えて超高密度光記録を行うために近接場光を利用します。1nm²以上の面密度で記録できるならば、人間の脳の容量に匹敵するといわれる1Pb/in²ストレージの実現も夢ではありません。そのための記録素子として、少数個の原子で構成したスピンクラスターの形成に取り組んでいます。レーザ冷却したアルカリ金属原子を光ポンピング法によってスピン偏極し、相互作用しにくい希ガス原子をコートした基板上で自己組織化します。クラスター化に必要な多体衝突を起こさせるために、図4に示すエバネッセント光ファネルを用いて入射原子の高密度化を行います。図5は、密度汎関数理論を用いて計算した⁸⁷Rb₄クラスターのスピン1重項状態・3重項状態・5重項状態（立体）の形状です。近接場光で1重項-3重項変化を起こす方法を開発します。

ナノの光の幾何学的特性を調べる

教員からのメッセージ

参考図書・ビデオ

1. 1.サイエンスZERO「ナノの世界に輝く光-近接場光」NHKオンデマンド、2010
2. 2.ナノ光工学ハンドブック、2.8節「原子への力学的作用」、11.1節「原子操作」、朝倉書店、2002
3. 3.ナノテクノロジーハンドブック、I編創る、7.2節「近接場原子光学パターニング」、オーム社、2003
4. 4.光ナノテクノロジー、基礎編「光と原子」、応用編「ナノの光で原子を操る」、アドスリー、2005
5. 5.科学立国日本を築く、第8章「光で粒子・分子・原子の動きを操る」、日刊工業新聞社、2006
6. 6.解く！量子力学、講談社サイエンティフィク、2008（電子版あり）
7. 7.解く！先端技術の量子力学、講談社サイエンティフィク、2010
8. 8.近接場光のセンシング・イメージング技術への応用、第11章「近接場光を用いた原子の制御と検出」シーエムシー出版、2010

電気電子系の全研究室を紹介したパンフレットは広報誌ページでご覧いただけます。

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※この内容は2016年3月発行の電気電子系パンフレットによります。最新の研究内容については各研究室にお問合せください。