光で拓くナノの世界
河田 聡 大阪大学
ナノテクノロジーの研究開発の進展が顕著である。我が国におけるこの分野の最先端の研究者たちを集め、科学研究費補助金特定領域研究(A)「ニアフィールド・ナノ光学」などの国家プロジェクトにおいて開拓された光ナノテクノロジーの原理と科学技術の最新の話題を紹介する。ナノスケールの分子科学、原子光学等の自然科学分野や超高密度光記録、超微細加工等の産業界への応用を通して社会への貢献を専門家ではない人でもわかりやすく理解できるよう解説する。
【用語解説】
非線形：
非線形分光の大家であるShen教授は、「もしこの世の中がすべて線形性であれば、非常に退屈なものになっでいたであろう。しかし、幸いにして世の中の多くは非線形性をもっており、線形性は物理に美しさを与え、非線形性は物理に刺激的な面を与える。」と述べている。線形とはその名の通り直線上に乗ってしまう現象であり、美しくはあるが直線さえわかれば、何が起こるかが予測可能である。しかし、非線形の場合、例えば光の世界でいう非線形では、現象が光電場強度の二乗三乗・・で起こるため、予測は困難であるが、うまくコントロールすることで、様々な新しい知見が得られる。
エバネッセント場：
最もなじみが深いエバネッセント場は、屈折率の高い媒質から低い媒質に電磁波を導入するとき，入射角をある臨界値(臨界角)以上にすると，境界面で波数の境界面の垂直成分が虚数となり，電磁波は全反射し，透過しなくなる．このとき低屈折率の媒質側に，境界面から1波長程度の深さまで浸透している電磁場がエバネッセント場である。波数の垂直成分が虚数であることから波数の水平成分が大きな値をとることができ、これを利用すれば高分解能の光学顕微鏡が実現できる。この概念にそった顕微鏡が近接場顕微鏡である。
ラマン散乱光：
分子は通常いくつかの原子の結合によって構成されている。それらの原子は、それぞれ特有の振動（分子振動）を伴っている。このような分子に単色性の良いレーザー光を照射すると、分子振動に等しいエネルギーを失った光が散乱されて出てくる。これをラマン散乱光と呼び、通常分子はいくつかの分子振動を持っているため、それらの分子振動に対応したいくつかのラマン散乱光が異なる波長（色分けされて）検出されるため、分子構造に対する知見が直接得られる。
回折限界：
光をレンズなどで集光した場合、一見一点に集光されている様に見えるが、実はナノメートルオーダーでその点を観てみると有限の大きさを持っている。これは光の波動性による回折現象によるもので、集光スポットサイズはちょうど光の波長程度（500ナノメートル程度）の大きさにしかならない。つまり波長よりも小さい構造を見たり、書き込んだりすることは不可能であると考えられている。
フェムト秒レーザー：
フェムト秒とは10-15秒のことであり、フェムト秒レーザーとは、このような超短時間にレーザーを閉じこめたパルス状のレーザー光である。パルス状にすることで、通常連続的に発信しているレーザー光をパルス先端でのピークパワーを稼ぐ効果がある。これはレーザー光強度に二乗三乗で効いてくるような非線形現象に非常に有効である。また、フェムト秒という超短時間だけ試料を照明できるため、照射後に試料に誘起される高速度の光学的現象の追跡にも有効である。
第17回「大学と科学」公開シンポジウム