原子スケール空間の巨大電場で操る非線形な光発生現象~超小型光エレクトロニクス技術への基礎的ブレイクスルー~

2026-02-02 分子科学研究所

分子科学研究所の杉本敏樹准教授らの研究グループは、原子スケール空間に生じる巨大電場を利用し、物質の非線形光学応答を超高効率で電気的に制御する新手法を実証した。走査トンネル顕微鏡(STM)の探針と基板間に形成される数オングストロームの極微小ギャップに分子を閉じ込め、±1V程度の低電圧を印加しながらフェムト秒レーザーを照射した結果、第二高調波発生(SHG)や和周波発生(SFG)の強度が最大約2000%も変調されることを発見した。この効果は可視から中赤外まで広帯域で有効であり、従来のナノ構造を大きく上回る制御効率を示す。原子スケールで動作する超小型光エレクトロニクスや量子・ナノ光技術への基礎的ブレイクスルーとなる成果である。

原子スケール空間の巨大電場で操る非線形な光発生現象~超小型光エレクトロニクス技術への基礎的ブレイクスルー~
図 1 a. SHG過程のエネルギーダイアグラム。物質に周波数ωを持つ強い光を入射すると、その2倍の周波数(2ω)を持つSHG光が発生する。b. STM装置に設置した金探針の先端の拡大写真。先端の曲率半径は約50ナノメートルと非常に鋭くなっている。c. SHG実験の模式図。近赤外光のフェムト秒パルスレーザーをSTMのナノギャップに照射し、その光を近接場として局在・増強させることで、ギャップ中に存在する分子からのSHG光を検出する。本研究では、探針と基板の間に印加する電圧Vの影響を調べた。

<関連情報>

オングストロームスケールのプラズモニック接合における巨大な近接場非線形電気光学効果 Giant near-field nonlinear electrophotonic effects in an angstrom-scale plasmonic junction

Shota Takahashi,Atsunori Sakurai,Tatsuto Mochizuki & Toshiki Sugimoto
Nature Communications  Published:24 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-68823-4

We are providing an unedited version of this manuscript to give early access to its findings. Before final publication, the manuscript will undergo further editing. Please note there may be errors present which affect the content, and all legal disclaimers apply.

Abstract

Plasmons facilitate a strong confinement and enhancement of near-field light, offering exciting opportunities to enhance nonlinear optical responses at the nanoscale. However, despite significant advancements, the electrically tunable range of the nonlinear optical responses at nanometer-scale plasmonic structures remains limited to a few percents per volt. Here, we transcend the limitation of the nanometer regime by expanding the concept of electrophotonics into angstrom-scale platform, enabling high-performance modulation of near-field nonlinear optical responses inaccessible in prior architectures. We demonstrate ~2000% enhancement in second-harmonic generation (SHG) within 1 V of voltage application by utilizing an angstrom-scale plasmonic gap between a metallic tip and a flat metal substrate in a scanning tunneling microscope. Extending this near-field SHG scheme to sum-frequency generation that is accompanied by large frequency upconversion, we also found that such giant electrical modulation of plasmon-enhanced nonlinear optical phenomena is effective over mid-infrared to visible broad wavelength range. Our results and concepts lay the foundation for developing near-field-based angstrom-scale nonlinear electrophotonics with significant modulation depth at low driving voltage.

0402電気応用
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