微小空間に閉じ込められた光を用いて少数分子から生じる和周波発生信号を検出~分子の向きも識別できる次世代のナノ計測技術~

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2025-05-12 分子科学研究所

微小空間に閉じ込められた光を用いて少数分子から生じる和周波発生信号を検出~分子の向きも識別できる次世代のナノ計測技術~

分子科学研究所の杉本敏樹准教授らの研究グループは、ナノスケールの空間に局在する光を利用して、わずかな数の分子による和周波発生(SFG)信号の検出に成功しました。走査トンネル顕微鏡(STM)の探針と試料基板間の1nm以下の空間にフェムト秒パルスレーザーを照射し、赤外光と可視光の電場を増強する手法で、従来の分光法では困難だった分子の向きの識別と微小領域からの信号取得を実現しました。この成果は、超高感度・超高解像度の分子イメージングや反応活性解析に貢献する新技術として注目されています。

<関連情報>

探針増強和周波発生による分子振動ナノ分光 Tip-Enhanced Sum Frequency Generation for Molecular Vibrational Nanospectroscopy

Atsunori Sakurai,Shota Takahashi,Tatsuto Mochizuki, and Toshiki Sugimoto
Nano Letters  Published: April 10, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06065

Abstract

Vibrational sum frequency generation (SFG) is a nonlinear spectroscopic technique widely used to study the molecular structure and dynamics of surface systems. However, the spatial resolution achieved by far-field observations is constrained by the diffraction limit, obscuring molecular details in inhomogeneous structures smaller than the wavelength of light. To overcome this limitation, we developed a system for tip-enhanced SFG (TE-SFG) spectroscopy based on a scanning tunneling microscope. We successfully detected vibrational TE-SFG signals from adsorbed molecules on a gold substrate under ambient conditions. The phase analysis of interferometric SFG spectra provided information on molecular orientation. Furthermore, the observed TE-SFG signal was confirmed to originate from a highly localized region within a gap between the tip apex and the sample substrate. This method offers a novel platform for nonlinear optical nanospectroscopy, paving the way for the investigation of surface molecular systems beyond the diffraction limit.

1701物理及び化学
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