水谷研究室
〈専門分野〉表面物性、固体光物性、顕微鏡法

非線形光学効果によって
観察する固体表面や
機能性界面の活性

研究内容

　物質中で２つの光子が融合して和のエネルギーを持つ１つの光子となるような現象を二次の非線形光学効果と言います。私達のグループでは、このような光学過程の観察を通して、固体の表面界面における特有の現象を観察、解明、応用することをめざしています。そして、独自の非線形光学現象観察装置を製作し、活性な物質の表面界面の性質やナノスケール構造物の非線形光学効果を探ったり、新しい物理現象や自然現象を見つける努力を続けています。以下に最近グループで興味を持っている研究テーマを示します。

1光第二高調波分光法による表面現象の解明

　 光の第二高調波分光法を発展させ、重要な表面現象の進行中に表面電子準位がどのように変化するかをその場で観察します。光触媒TiO2界面、表面吸着系、半導体界面の電子状態、ボンド配向の分布および秩序を探り、それらを現象論や第一原理計算を用いて厳密に解析する手法を確立します。

2ラマン散乱や和周波発生法を用いた振動分光法による固体表面吸着子の研究

　 固体表面界面現象の微視的な起源を高感度ラマン散乱法や和周波発生法による分子振動の分光法により探求します。固体表面や触媒表面に吸着した分子の吸着状態や反応過程、生体材料周辺の水分子の秩序などを解明します。

3表面でのみ実現される新物性の探求

　 表面に吸着した分子、膜、ナノ構造は、同じ物質のバルクと全く異なった物性を示します。例えば金属ナノワイヤのような物質で、この違いの起源を探究するとともに、この性質を利用した新機能物質の開発をします。

4光第二高調波/光和周波顕微鏡の開発と応用

　 光の倍音や和周波の顕微像を観察する装置を開発し、それを用いた興味ある系の観察をします。装置としては超高真空中の試料を時間空間分解能よく、しかも励起光波長を変化させて観察できるものをめざします。観察する系は、触媒表面、半導体表面、生きたままの生物体などであり、これらから興味深い物理現象を見出すことをめざします。
　 水谷五郎教授は、「研究で冒険ができたらいいな」という夢を持っている人です。グループでも、研究のモチベーションをどのように高めていったらよいか、ということを、JAIST-COEプログラム「研究哲学に裏打ちされた科学創発演習」へ参加することにより追求しています。

使用装置

表面光第二高調波／和周波分光装置、表面光第二高調波／和周波顕微鏡装置、可視／赤外光パラメトリック発振／発生／増幅器（Q-スイッチ／モードロックNd:YAGレーザー励起）、フェムト秒光パラメトリック増幅器、高感度表面ラマン分光装置、表面調整分析チャンバー、分子ナノワイヤ製作チャンバ、X線光電子分光装置

過去5年間の主な研究業績

1. A. B. El Basaty, Y. Miyauchi, G. Mizutani, T. Matsushima, and H. Murata, Optical second harmonic generation at heterojunction interfaces of a molybdenum trioxide layer and an organic layer, Applied Physics Letters 97, 193302 (2010).
2. Y. Miyauchi, H. Sano, J. Okada, H. Yamashita, and G. Mizutani, Simultaneous optical second harmonic and sum frequency intensity image observation of hydrogen deficiency on a H-Si(1 1 1) 1×1 surface after IR light pulse irradiation, Surf. Sci., 603(19), 2972 (2009).
3. Y. Maeda, T. Iwai, Y. Satake, K. Fujii, S. Miyatake, D. Miyazaki and G. Mizutani, Optical second-harmonic spectroscopy of Au(887) and Au(443) surfaces, Phys. Rev. B, 78(7), 075440 (2008).
4. H. Sano, J. Saito, J. Ikeda, and G. Mizutani, Electronic resonant images of an ion implanted Si(111) substrate observed by wavelength tunable optical second harmonic microscopy, J. Appl. Phys., 100(4), 043710 (2006).
5. Y. Miyauchi, H. Sano, and G. Mizutani, Selective observation of starch in a water plant by nonlinear optical microscopy, J. Opt. Soc. Am. A, 23(7), 1687-90 (2006).