2020-11-05 東京大学
○発表者：
田中 嘉人（東京大学 生産技術研究所 助教）
○発表のポイント：
◆金属ナノ粒子の形や向きを調節すると、光を照射した時に一方向に強い散乱光を生み出すことができる。この時、散乱光とは逆向きの力がナノ粒子に働くことを初めて発見した。
◆このナノ粒子を整列させた微小マシンを作り、マシンに働く力の方向を精密に制御することに成功した。光で動くナノスケールのリニアモーターや回転モーターを実現した。
◆照射する光を制御して微小マシンを動かす従来の「光ピンセット」とは異なり、光の受け手側を工夫することで、光の波長スケールより小さいナノ空間で駆動力を精密にデザインできた点が新しい。光駆動マシンの集積化が進み、光駆動ナノロボットやナノ工場の実現が期待される。
○概要：
東京大学 生産技術研究所の田中 嘉人 助教、志村 努 教授らの研究グループは、金属ナノ粒子中の電子のさざ波（局在プラズモン共鳴、注１）により光の持つ運動量を制御し、その反作用としてナノ粒子に働く光の力（光圧、注２）を利用して微小マシンを動かすことに成功した。
これまで、光圧を利用した光ピンセット（注３）は、微小マシンを駆動する方法として応用範囲を拡げてきた。しかし、光ピンセットは、照射するレーザー光を集光・走査することによって光圧の方向を制御するため（図１）、光の回折による限界（注４）から波長スケールより微細な操作が実現できず、光駆動マシンの集積化や実装を阻んでいた。
そこで本研究グループは、ナノ空間で光散乱（注5）を増強・制御することができる金属ナノ粒子（図２）の局在プラズモン共鳴に着目した。光散乱を通じて光の運動量変化を制御することで、ナノ粒子の向きで光圧の方向を制御できることを発見した。このナノ粒子を微細加工技術によって微小マシン上に適切に配置することで、光の波長スケールより小さいナノ空間に働く光圧の位置と向きを精密にデザインすることが可能になり（図３）、光の照射によって動力を生み出すナノスケールのリニアモーターや回転モーターを実現した（図４）。
本アプローチは、レーザー光の集光・走査が不要なため光の回折による限界がない。光により物体を操作する技術にパラダイムシフトを起こし、光駆動マシンの集積化・階層化が進み、光駆動ナノロボットやナノ工場の実現が期待される。
本成果は２０２０年１１月４日（米国東部時間）に「Science Advances」のオンライン速報版で公開された。
○発表内容：
＜研究背景＞
光の運動量変化の反作用として生じる光圧を利用した光ピンセットは、非破壊で物体を操作する技術として数多くの研究が進められてきた。特に、微小マシンを駆動する方法として応用の範囲を拡大してきた。この光駆動マシンは、レーザー集光位置の高速走査や、レーザー光強度の空間分布の制御など、レーザー光を構造化(集光)・走査することにより、精密で複雑な操作が実現されてきた。しかし、照射レーザー光の空間パターンによって光圧の方向を制御する光ピンセットの場合、光の回折による限界を避けることは出来ず、光の波長スケールより微細な光圧による操作を実現できなかった（図１）。また、集光光学系を用いる必要性から操作できる範囲がマイクロメートル(10-6m)に制限される。さらに、微小マシンの材質は、光吸収がなく屈折率が大きい必要性があった。これらの制限が、光駆動マシンの集積化・階層的構造化や実装を阻んでいた。
＜研究内容＞
本研究グループは、これらの制限を回避するため、照射レーザー光を集光・走査する代わりに、光の受け手側である金属ナノ粒子の局在プラズモン共鳴により光運動量変化を制御し、このナノ粒子を微細加工技術によって配列することで、光の回折限界を超えた分解能で光圧の配列を精密にデザインする新しいアプローチを考案した（図３）。
図２のように長さの異なる金ナノロッドペアは、局在プラズモン共鳴により構造面内の一方向に高強度の光散乱を生み出すことができる。この散乱光の持つ運動量の反作用により、散乱方向と逆向きの光圧がロッドペアに働くことを発見した。この新しい光圧の最大の特徴は、従来の光圧と異なり、ロッドペアの向きで光圧の方向を制御できる点にある。そこで、このロッドペアをシリカ構造内部に一方向に配列したサンプルを作製し、ライン状に光を照明することで、液中で光の道を走るリニアモーターカーの観察に成功した（図４ａ）。さらに、光の回折限界を超えた間隔で環状にロッドペアを配列したサンプルの光照射に伴う回転運動も実現し（図４ｂ）、ロッドペアの配列によりナノ空間にナノモーターを精密にデザインできることを明らかにした。
＜今後の展開＞
本ナノモーターは、原理的には太陽光でさえ駆動させることができる。光ピンセットと異なり、光の回折による限界や、レーザー光の集光・走査の必要性を排除することができるので、光により物体を操作する技術にパラダイムシフトを起こし、光で駆動するナノロボットやナノ工場の実現が期待される。
本ナノモーターは、極微量物質の分析を可能にする超小型化学分析システムにおいて、流体を制御するポンプ、バルブ、ミキサーなどへの展開が期待される。電源を必要としないので、デバイスの小型化や集積化が飛躍的に進むはずである。また、本ナノモーターは生体分子モーターと同程度の大きさの力を発生するので、分子モーターが関わる生体機能の計測・制御が可能になると期待される。さらに、まだ夢物語ではあるがドラッグデリバリーといったナノ医療に向けた展開も期待している。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）「光の極限制御・積極利用と新分野開拓（研究総括：植田 憲一）」における研究課題「局在プラズモン制御による光駆動ナノモーター」（研究者：田中 嘉人）および日本学術振興会（ＪＳＰＳ）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（領域代表者：石原 一）」における公募研究（研究代表者：田中 嘉人）の支援を受けて実施した。
○発表雑誌：
雑誌名：「Science Advances」（１１月４日版）
論文タイトル：Plasmonic linear nanomotor employing lateral optical forces
著者：Yoshito Y. Tanaka*, Pablo Albella, Mohsen Rahmani, Vincenzo Giannini, Stefan A. Maier, Tsutomu Shimura
DOI：10.1126/sciadv.abc3726
○問い合わせ先：
東京大学 生産技術研究所
助教 田中 嘉人（たなか よしと）
○用語解説：
注１）局在プラズモン共鳴
局在プラズモン共鳴とは、金属ナノ粒子中に含まれる自由電子の集団振動による共鳴のこと。近年、微細加工技術の発展により、高い精度で金属ナノ粒子の作製が可能になり、ナノ粒子のサイズや形状により局在プラズモン共鳴を高度に制御できるようになってきた。
注２）光圧
光と物質との相互作用によって光の運動量が変化する際、物質には光の力（光圧）が働く。例えば、反射・散乱・屈折によって光の進む方向が変化すると、ベクトルである運動量は変化することになる。光圧の大きさは非常に小さいため日常で感じることはないが、重力が無視できるミクロな世界や、宇宙空間では有効に働く。
注３）光ピンセット
光ピンセットは、レーザービームをレンズで集光することで生じる急峻な電場勾配によって、微粒子を集光位置に捕捉・操作する技術のこと。提案者であるAshkin博士は、この光ピンセットに関する研究で2018年のノーベル物理学賞を受賞した。
注４）光の回折による限界
光の波としての性質のため、レンズなどを用いて光を集光しても、その波長より小さいスケールに光を絞り込むことができない。これを光の回折限界といい、光操作、光加工、光学顕微鏡における分解能の限界を決めている。
注５）光散乱
光を微粒子に照射した時、光を四方八方に放出する現象のこと。ここでは特に、波長より小さい粒子による散乱（レイリー散乱）を指しており、通常、等方的に光を放出する。
○添付資料：
図１ 光ピンセットによる微小マシン駆動の概念図
光ピンセットでは、特定の場所にレーザー光を集めることで、特定の方向に光圧が生み出される。波長より小さいスケールに光を絞り込むことができないため、波長スケールより小さいナノ空間での操作ができる微小マシンは原理上実現できない。
図２ 金ナノロッドペアと高指向性の側方光散乱
Ｅとｋはそれぞれ、入射光の電場方向と伝搬方向を示す。ｚ方向から光を照射すると、－ｘ方向に指向性の高い光散乱が生じ、ナノロッドペアには散乱方向と逆向きのｘ方向に面内光圧が働く。
図３ 光駆動ナノモーターの概念図
ナノ粒子のサイズによって応答する光の色（波長）を制御できるため、長波長の光を照射するとリニアモーターとして、短波長の光を照射すると回転モーターとして働くなど、照射する光の波長に応じたモーター機能をデザインすることもできる。
図４ ナノロッドペアの配列により光圧の配列をデザインした光駆動ナノモーター
（ａ）リニアモーター。動画ＵＲＬ：https://youtu.be/fUQv7UVqu_c
（ｂ）回転モーター。動画ＵＲＬ：https://youtu.be/f9KSXNECrPk
