ナノ構造体や物質に潜む新しい「光」の探索
増大し続ける情報通信量への対応として、より高速で電力損失の少ない光通信や情報処理に向けた光電融合デバイスの開発が急務です。中でも課題となるのは、光送受信を担う発光デバイスや受光デバイスを含む光電変換インターフェースの集積化であり、ナノ構造を利用した光制御の新展が求められています。ナノ空間への光の拘束は単にデバイスを小型化するだけでなく、物質と光の相互作用を高めることになり、高速かつ高効率なデバイスの実現につながります。
電子顕微鏡と分光法とを組み合わせることで、原子レベルの空間分解能を活かした電子状態や電磁場モードの解析ができます。吸収分光に相当する電子エネルギー損失分光(EELS)と発光を分析するカソードルミネセンス(CL)とを駆使して、われわれはナノ構造中の新奇な表面プラズモンモードの探索や、ナノ光源とナノ共振器との相互作用の解析を推進しています。
微細加工技術の発達により、ナノ構造を周期的に配列した人工結晶や、意図的に周期性や対称性を崩したシステムを作製することができ、バンド理論等に基づく電子状態制御を光やプラズモンの伝播の制御に利用することができます。例えば、トポロジカル絶縁体やバレー分極といった結晶構造の幾何学に由来した性質は、光波をはじめあらゆる波に適用できる概念であり、これらを活用したナノスケールでの光伝播の新たな自由度の創出、物質系と組み合わせた新たな光機能デバイスの創出を目指しています。
参考文献
Cathodoluminescence Saturation Imaging to Visualize Emitter–Resonator Coupling
Hikaru Saito, Yuuichiro Kimura, Kentaro Matsuzaki, Yoshikazu Adachi, Sotatsu Yanagimoto, Kosuke Watanabe, Miki Inada, Takumi Sannomiya
ACS Nano 2025, 19, 21, 19590–19598
Light Emission Enhancement on Nanostructured Surfaces Quantitatively Evaluated by Cathodoluminescence Coincidence Counting
Tomoyasu Fujimaru, Hiromu Tanaka, Masato Inamata, Midori Ikeuchi, Hidehiro Yamashita, Hiroya Miyazaki, Takashi Gondo, Satoshi Hata, Mitsuhiro Murayama, Hikaru Saito
ACS Photonics 2025, 12, 6, 3073–3081
Valley-polarized plasmonic edge mode visualized in the near-infrared spectral range
Hikaru Saito, Daichi Yoshimoto, Yuto Moritake, Taeko Matsukata, Naoki Yamamoto, Takumi Sannomiya
Nano Lett. 2021, 21, 15, 6556–6562
光を一方向に進む表面波に変える人工ナノ構造の実証
https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/663/
情報科学や光計測等の融合的アプローチによる電子顕微鏡法の開発
透過電子顕微鏡による微細組織・局所化学組成解析は新物質探索や高機能材料の研究開発を行うために欠かすことの出来ない分析手法として理工医薬の各分野で広く用いられています。特に、物質や材料に熱や電磁場などを加えて、微細組織や機能がどのように変化するかをリアルタイムで観察する「その場観察」法は、現象が視覚化されるという電子顕微鏡の特徴を最大限に活用できる手法です。
その場観察法で肝となるのがイメージングの高速化です。これまでに、数十ミリ秒のフレームレートの高速スキャンにより劣化した走査透過電子顕微鏡（STEM）像を、深層学習を活用して秒オーダーのフレームレートのSTEM像と遜色ないレベルまで復元する技術を考案し、STEMならではの厚い試料に対する3次元観察（トモグラフィー）において、従来数10分を要していたデータ収録時間を5秒にまで短縮することに成功しています。電子顕微鏡用試料ホルダーメーカーとも連携しつつ、ビデオレートの高速STEM撮像による材料熱処理のその場観察や、粉末焼結のナノスケール４次元（３次元空間＋熱処理時間）計測も実現しています。このような４次元ナノ計測技術は計算科学と連携した高精度パラメータ推定やデジタルツインを活用した新たな材料開発基盤の創出に繋がります。
こうした先端電子顕微鏡法の開発は、当研究室の主な専門であるナノ光学分野以外にも、触媒、熱電材料、超伝導材料、電池材料等の材料分野、さらにJAXA主導の「はやぶさ２」プロジェクトのリュウグウ試料初期分析にも役立てられてきました。
また、当研究室の特色である光計測では、従来の分光的情報だけでなく、フォトンカウンティングから得られる情報を活用した新たな顕微鏡法を創出するために2023年度より「励起イベント選択カソードルミネセンス顕微鏡」の開発を始めました。未解明であった電子線励起発光の素過程に関する情報が得られつつあります。
参考文献
Five-second STEM dislocation tomography for 300 nm thick specimen assisted by deep-learning-based noise filtering
Yifang Zhao, Suguru Koike, Rikuto Nakama, Shiro Ihara, Masatoshi Mitsuhara, Mitsuhiro Murayama, Satoshi Hata, Hikaru Saito
Scientific Reports volume 11, Article number: 20720 (2021)
Deep learning-based noise filtering toward millisecond order imaging by using scanning transmission electron microscopy
Shiro Ihara, Hikaru Saito, Mizumo Yoshinaga, Lavakumar Avala, Mitsuhiro Murayama
Scientific Reports volume 12, Article number: 13462 (2022)
In situ electron tomography for the thermally activated solid reaction of anaerobic nanoparticles
Shiro Ihara, Mizumo Yoshinaga, Hiroya Miyazaki, Kota Wada, Satoshi Hata, Hikaru Saito, Mitsuhiro Murayama
Nanoscale, 2023, 15, 10133-10140
High-fidelity phase-field simulation of solid-state sintering enabled by Bayesian data assimilation using in situ electron tomography data
Akimitsu Ishii, Akinori Yamanaka, Mizumo Yoshinaga, Shunsuke Sato, Midori Ikeuchi, Hikaru Saito, Satoshi Hata, Akiyasu Yamamoto
Acta Materialia Volume 278, 1 October 2024, 120251
A dehydrated space-weathered skin cloaking the hydrated interior of Ryugu
Takaaki Noguchi, Toru Matsumoto, Akira Miyake, Yohei Igami, Mitsutaka Haruta, Hikaru Saito et al.,
Nature Astronomy volume 7, pages170–181 (2023)
機械学習による世界最速の３次元電子顕微鏡ナノイメージング
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211026/index.html
透過電子顕微鏡によるナノ粒子焼結を４次元で初計測
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20230602/index.html
https://www.nikkei.com/article/DGXZRSP656510_S3A600C2000000/
電子線によるペロブスカイトナノ光源の自在配置
量子ドットなどのナノ材料とナノ共振器や導波路等を組み合わせ、個々の物質や構造のみでは達しえない物性を最大限に発揮したナノ融合システムを創出するには、互いの位置関係を正確に制御する新たなプロセス技術が必要となります。当研究室は最近、電子線照射により、光電変換性能に優れるペロブスカイトナノ光源をナノメートルの正確さで所望の位置に生成する手がかりを発見しました。量子閉じ込め効果が発現するサイズまで小さくなったペロブスカイトナノ粒子には、室温で単一光子源となるものも知られており、上記現象を活用した単一光子源配列技術や量子デバイス創製への展開を目指した研究を推進しています。
参考文献
Nano-light source generation by electron beam irradiation of CsPbBr3/Cs4PbBr6 composites
Hikaru Saito, Kotaro Kihara, Midori Ikeuchi, Sotatsu Yanagimoto, Tetsuya Kubota, Keiichirou Akiba, Takumi Sannomiya
Appl. Phys. Lett. 127, 261102 (2025)