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レーザーを用いた新しい顕微鏡でミクロな世界の冒険をしよう

水谷研究室 MIZUTANI Laboratory
教授:水谷 五郎(Mizutani Goro)

E-mail:
[研究分野]
表面界面物理学、光物性物理学、非線形光学分光、非線形光学顕微観察法
[キーワード]
光第二高調波発生(SHG)顕微鏡、光和周波発生(SFG)顕微鏡、フェムト秒レーザー加工、ナノワイヤ非線形物質

研究を始めるのに必要な知識・能力

物理的にものを考えることができる能力と、電磁気学についての一通りの知識、およびレーザーに関する知的興味。

この研究で身につく能力

まず第一に光学測定技術が身につきます。この技術には、レーザーを運転する能力、レーザー光を試料に集光し、微弱な応答光を検出する能力、および非線形光学的な解析を行う能力が含まれます。またその際に電気信号を処理することから、電気回路技術が身につきます。次に、表面の実験では超高真空装置を用いることから、真空技術が身につきます。研究した成果は国内あるいは国際会議で発表しますので、論文発表能力が身につきます。また、本研究室は留学生の比率が高いので、研究内容だけでなく日常的な活動も英語で行う能力が身につきます。グループミーティングでは、チェアマンを順番で勤めますので、集団をリードする能力が身につきます。

【就職先企業・職種】 電気系メーカー、機械系メーカー、化学系メーカー、市役所技術職、国立大学法人教員

研究内容


図1.MgOファセット面上のPtナノワイヤの断面TEM像

図2.世界で唯一の超高真空光和周波顕微鏡

 私たちはレーザー光を用いた物質の観察法の開発しています。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界面現象の解明

 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、液晶パネル界面の電子状態、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.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。

3.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。

4.フェムト秒レーザー光による表面加工

 10兆分の1秒という短い時間幅をもつレーザー光を用いた表面の加工は、最先端のデバイスの製作に貢献することが期待されるだけでなく、その微視的な機構の理解という点でも興味があります。実用的なデバイス加工を例にとり、そのような問題に取り組みます。

 私は、「研究で冒険ができたらいいな」という夢を持っています。グループのメンバーにも、それぞれ大きな夢を持って欲しいと思っています。

主な研究業績

  1. K.T.T.Hien, M.A. Sattar, Y. Miyauchi, G. Mizutani and H.N. Rutt, “Sum frequency generation spectroscopy study of hydrogenated stepped Si(111) surfaces made by molecular hydrogen exposure“, Surface Science 663,663, 11, 4,2017/09
  2. Y. Ogata and G. Mizutani, “Absolute second order nonlinear susceptibility of Pt nanowire arrays on MgO faceted substrates with various cross-sectional shapes”, Applied Physics Letters 103, 093107 (2013/08).
  3. H. Takahashi, Y. Miyauchi, and G. Mizutani, “Selective observation of local carrier dynamics at step bunches on vicinal TiO2(110) by time-resolved pump-probe second harmonic generation method”, Physical Review B86, 045447 (2012/07).

使用装置

Nd:YAGレーザー
光パラメトリック発振器
再生増幅フェムト秒レーザーシステム
共焦点光和周波顕微鏡
超高真空光和周波顕微鏡

研究室の指導方針

レーザー非線形光学を正しく理解し、それを実験的理論的に実践できる学生を育成することを目指しています。二次の非線形光学効果を用いた表面界面や生体物質の研究活動は、1)光学的選択律の理解、2)光学技術と試料調整技術の習得、3)得られたデータの解析、という3つの階層をもちます。この3つの階層の実践をする力のある学生を育成します。また自分の研究テーマの何が面白いかを専門外の人に言えるように訓練します。研究室ゼミを週に一回行い、二ヶ月報告、教科書や論文の輪読を行います。言語は日本語英語の両方を用います。

[研究室HP] URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/mizutani/mizutani.html

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