ピコキャビティに閉じ込めた水素の分光計測に世界で初めて成功~原子スケールの極微空間における軽分子の精密ラマン分光~

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2025-05-21 分子科学研究所

分子科学研究所の熊谷崇准教授と杉本敏樹准教授らの研究チームは、原子スケールの極微空間「ピコキャビティ」に吸着した水素分子の精密なラマン分光計測に世界で初めて成功しました。この研究では、低温・超高真空環境下で高精度な探針増強ラマン分光法を用い、H₂(水素)とD₂(重水素)の振動・回転スペクトル応答の違いを観測しました。その結果、単一分子レベルでの理論解析により、原子核の量子的な揺らぎによる同位体効果がその要因であることを実証しました。この成果は、エネルギー関連材料や触媒の機能解析、単一分子の量子制御など、次世代のナノ計測や量子技術への応用が期待されます。

ピコキャビティに閉じ込めた水素の分光計測に世界で初めて成功~原子スケールの極微空間における軽分子の精密ラマン分光~
図1 (a)ピコキャビティに閉じ込められたH2およびD2のTERSスペクトル。各スペクトルには回転(rot)、振動(vib)、およびそれらの結合モード(vib + rot)に由来するラマンピークが明瞭に観測されている。(b)(a)で観測されたラマンピークに対応する、水素分子の回転および振動のエネルギー準位の遷移を示す模式図。

<関連情報>

物理吸着したH2およびD2分子のピコキャビティ増強ラマン分光法 Picocavity-Enhanced Raman Spectroscopy of Physisorbed H2 and D2 Molecules

Akitoshi Shiotari, Shuyi Liu, George Trenins, Toshiki Sugimoto, Martin Wolf, Mariana Rossi, and Takashi Kumagai
Physical Review Letters  Published 20 May, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.206901

Abstract

We report on tip-enhanced Raman spectroscopy of H2 and D2 molecules physisorbed within a plasmonic picocavity at 10 K. The intense Raman peaks resulting from the rotational and vibrational transitions are observed at subnanometer gap distances of the junction formed by an Ag tip and an Ag(111) surface, where a picocavity-enhanced field plays a crucial role. A significant redshift of the H-H stretch frequency is observed as the gap distance decreases, while the D-D stretch frequency is unaffected. Density functional theory, path-integral molecular dynamics, and quantum anharmonic vibrational energy calculations suggest that this unexpected isotope effect is explained by a different molecular density between H2 and D2 on the surface.

1700応用理学一般
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