テラヘルツ電磁波で1分子の超高速の動きをとらえる手法を開発

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2018/09/04 東京大学

○発表者
平川 一彦(東京大学 生産技術研究所 光物質ナノ科学研究センター 教授)

○発表のポイント
◆波長が100マイクロメートル程度のテラヘルツ電磁波は、分子の構造や機能を調べるのに適しています。しかし、これまでの集光法による観測では、波長に比べて極めて小さい(1ナノメートル以下)1個の分子を測定することは不可能でした。
◆原子1個程度の隙間を持つ電極を作り、その隙間に分子1個を捕らえた「単一分子トランジスタ構造」を作製し、この金属電極をテラヘルツ電磁波に対するアンテナとして用いることにより、1分子のテラヘルツ計測を行うことができるようになりました。
◆この方法を用いて、1個のC60(フラーレン)分子が超高速に振動している様子を観測することに成功しました。さらにC60分子に電子を1個注入することによる分子振動スペクトルの微細な変化も観測することができました。
◆遺伝子やタンパク質の分子レベルの構造や機能の解析、分子レベルの情報に基づいた医薬品の開発など、物理、化学、生物学、薬学などの基礎から応用に関わる広い分野に大きな発展をもたらすと期待されます。

○発表内容
テラヘルツ電磁波(注1)は、さまざまな分子の振動周波数と整合し、分子の構造や機能などを調べるのに適しています。しかし、テラヘルツ電磁波の波長が100マイクロメートル程度と非常に長いため、これまでは電磁波の回折限界(注2)のために、直径数ミリメートル程度の大きさの中にある非常に多数の分子の「平均的な情報」しか得ることができませんでした。

今回、東京大学 生産技術研究所 光物質ナノ科学研究センターの平川 一彦 教授、物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点の濱田 幾太郎 主任研究員(現 大阪大学 准教授)を中心とする研究グループは、長波長のテラヘルツ電磁波で1分子を観測する技術を開発し、超高速の分子振動の観測に成功しました。

光(一般的には電磁波)をレンズや鏡を用いて集光するとき、その最小ビーム径はおおよそ電磁波の波長を下回ることはできない「回折限界」という制約があります。このため波長が100マイクロメートル程度のテラヘルツ電磁波をレンズや鏡で集光しても、波長の10万分の1(1ナノメートル)程度しかない1分子からの信号を得ることは不可能です。

本研究チームはこれまでに、金属電極に1ナノメートル程度の隙間を設け(ナノギャップ電極)、その隙間に1分子を捕えた「単一分子トランジスタ構造(注3)」を精密に作製する技術を開発してきました。本研究の特徴的な点は、このナノギャップ電極をテラヘルツ電磁波に対するアンテナとして用いることにより、1分子に効率よくテラヘルツ電磁波を集光することができた点です。また1分子からの極微弱なテラヘルツ信号を、分子を経由して流れる電流の変化として読み出すことができるところも極めて有効です。

この単一分子トランジスタ構造を用いて1個のC60(フラーレン)分子をテラヘルツ電磁波で観測したところ、ピコ秒(10-12秒)程度の時間スケールで1分子が超高速に振動している様子を検出することができました。このようなテラヘルツ計測は、原子レベルの超微細加工技術とフェムト秒レーザを用いた超高速時間領域テラヘルツ測定技術(注4)の両方がそろって初めて可能となったものです。またC60分子に電子を1個注入することにより、振動周波数が微細に変化する様子も観測されました。このような電子1個がもたらす分子振動数のわずかな変化も観測できるようになったのは、単一分子トランジスタ構造を用いて、分子の中の電子数や電位(静電ポテンシャル)を精密に制御できるようになったからです(注5)。

分子振動の微細構造なども明らかにできる1分子のテラヘルツ計測が可能になったことにより、遺伝子やタンパク質の分子レベルの構造や機能の解析、分子レベルの情報に基づいた医薬品の開発など、物理、化学、生物学、薬学などの基礎から応用に関わる広い分野に大きな発展をもたらすと期待されます。

本研究は、科学研究費補助金新学術領域研究「ハイブリッド量子科学」(領域代表:平山祥郎 東北大学 教授)、科学研究費補助金基盤研究A「回折限界をはるかに超える原子スケールテラヘルツナノサイエンスの開拓」(研究代表者:平川 一彦 東京大学 生産技術研究所 光物質ナノ科学研究センター 教授)、キャノン財団研究助成プログラム(「産業基盤の創成」)「単一分子をテラヘルツ電磁波で見る技術の開拓」(研究代表者:平川 一彦)などの成果として発表するものです。

○発表雑誌
雑誌名: 「Nature Photonics」
論文タイトル: Terahertz dynamics of electron-vibron coupling in single molecules with tunable electrostatic potential
著者: Shaoqing Du, Kenji Yoshida, Ya Zhang, Ikutaro Hamada, and Kazuhiko Hirakawa
DOI番号: 10.1038/s41566-018-0241-1

○問い合わせ先
東京大学 生産技術研究所 光物質ナノ科学研究センター
教授 平川 一彦(ひらかわ かずひこ)
Tel: 03-5452-6260 Fax: 03-5452-6262
研究室URL: http://thz.iis.u-tokyo.ac.jp/

○用語やその他の解説
(注1)テラヘルツ電磁波
周波数がおおよそ100 GHz(ギガヘルツ)から10 THz(テラヘルツ)の範囲にある電磁波で、マイクロ波と赤外光の中間の周波数領域に位置する。分子、気体、液体、固体の状態にあるさまざまな物質と相互作用し、その構造や機能の解析に有用であるとともに、安全安心のためのイメージングやバイオ、医療、農業・産業応用などへの展開が進められている。

(注2)電磁波の回折限界
レンズや鏡を用いて光(広く電磁波と言ってもよい)をどこまで小さなビーム径まで絞ることができるかを表す限界のこと。一般に波長λの電磁波は、おおよそλ程度までしかビーム径を絞ることができない。

(注3)単一分子トランジスタ構造
1ナノメートル程度の間隙(ギャップ)を形成した金属電極(ナノギャップ電極)で1分子を捕獲するとともに、ゲートと呼ばれる電極を形成した1分子をチャネルとするトランジスタ構造。電流は分子を経由して流れ、それをソース・ドレイン電圧(ナノギャップ電極間に印加する電圧)、ゲート電圧で制御することができる。電子間の反発力のために、電子は分子内を1個ずつ流れ、単一電子トランジスタとして機能する。

(注4)超高速時間領域テラヘルツ測定技術
パルス幅10~100フェムト秒(1フェムト秒は10-15秒)の光パルスを用いてテラヘルツ電磁波の発生・検出などを行う時間領域における超高速テラヘルツ測定の総称。本研究では時間遅延τを設けた2つのフェムト秒パルスで励起したテラヘルツ電磁波バーストを用いて励起される分子を流れる電流をτの関数として測定している。

(注5)本研究とは独立に、走査型トンネル顕微鏡(STM)の探針をアンテナとしてテラヘルツ電磁波を集光し、1分子のテラヘルツ信号を測定したという報告がレーゲンスブルグ大学(独)のチームから報告されている(T.L. Cocker, et al., “Tracking the ultrafast motion of a single molecule by femtosecond orbital imaging”, Nature539, 263-267 (2016))。この測定は分子軌道の空間マッピングなどができる点において優れているが、試料にゲート電極を設けられないため、強いテラヘルツ電磁波で分子をイオン化させる測定しかできない。今回の測定の特徴的な点は、単一分子トランジスタ構造のゲート電圧を用いて、電子数や電位(静電ポテンシャル)を精密に調整することにより、微弱なテラヘルツ電磁波を用いても、精密な分子振動などのスペクトル測定ができることにある。


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