光反応のエネルギー効率を大幅に向上させる新技術を開発~光磁場で三重項狀態の直接勵起を実現?

理工研究域物質化學系の古山渓行準教授(JSTさきがけ研究員)と神戸大學との共同研究グループは,光磁場を増強するナノ構造を形成し,分子のスピン反転を伴う光學遷移を大幅に促進する技術を開発しました。

分子の勵起三重項狀態(※1)は,壽命が長くさまざまな光化學反応に利用されます。しかしながら,基底(一重項)狀態から三重項狀態への勵起は電子スピンの反転を伴う“禁制遷移”であるため,三重項狀態は項間交差(※2)を介した間接的な過程で勵起されています。本研究では,誘電體ナノ構造の配列構造(光メタ表面)の磁場増強効果を利用して,これまでほとんど考慮されなかった“磁気雙極子遷移(※3)”を促進し,三重項狀態間の勵起効率を飛躍的に増大させることに成功しました。また,従來よりも低いエネルギーの光でターゲット分子を勵起三重項狀態にすることを実現しました。

本成果は,分子の光勵起のエネルギー効率を大幅に向上させる新しい技術であり,今後,新しい光反応制御手法の開発につながると期待されます。

本研究成果は,10月13日に國際科學誌『Small』に掲載されました。

  

図1.分子の光勵起過程と増強磁場による一重項(S0)-三重項(T1)直接勵起の概要図

 

図2.(a) シリコンナノディスクからなるメタ表面と(b) ナノディスク上のルテニウム錯體の模式図,(c)本研究で用いたルテニウム錯體のエネルギー準位図

 

 

 

【用語解説】

※1 勵起三重項狀態
基底狀態と勵起狀態の電子スピンが互いに平行な(同じ向き)狀態。

※2  項間交差
異なるスピン多重度をもつ狀態間の遷移。ここでは特に,勵起一重項(S1)狀態から勵起三重項(T1)狀態への遷移を指す。

※3  磁気雙極子遷移
物質內の電子と光(電磁波)との相互作用による光學遷移のなかで,磁気モーメントと光の磁場成分との結合が支配的であるもの。

 

 

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Small

研究者情報:古山 渓行

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