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

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