東大ら,テラヘルツで1分子の超高速の動きを観察

東京大学,物質・材料研究機構を中心とする研究グループは,長波長のテラヘルツ電磁波で1分子を観測する技術を開発し,超高速の分子振動の観測に成功した(ニュースリリース)。

テラヘルツ電磁波は,さまざまな分子の振動周波数と整合し,分子の構造や機能などを調べるのに適している。しかし,テラヘルツ電磁波の波長が100μm程度と非常に長い。そのためテラヘルツ電磁波をレンズや鏡で集光しても,回折限界により,波長の10万分の1(1nm)程度しかない1分子からの信号を得ることはできなかった。

研究グループはこれまでに,金属電極に1nm程度の隙間を設け(ナノギャップ電極),その隙間に1分子を捕えた「単一分子トランジスタ構造」を精密に作製する技術を開発してきた。

この研究の特徴的な点は,ナノギャップ電極をテラヘルツ電磁波に対するアンテナとして用いることにより,1分子に効率よくテラヘルツ電磁波を集光することができる点にある。また1分子からの極微弱なテラヘルツ信号を,分子を経由して流れる電流の変化として読み出すことができるところも極めて有効となる。

この単一分子トランジスタ構造を用いて1個のC60(フラーレン)分子をテラヘルツ電磁波で観測したところ,ピコ秒(10-12秒)程度の時間スケールで1分子が超高速に振動している様子を検出することができた。このようなテラヘルツ計測は,原子レベルの超微細加工技術とフェムト秒レーザーを用いた超高速時間領域テラヘルツ測定技術の両方がそろって初めて可能となったもの。

また,C60分子に電子を1個注入することにより,振動周波数が微細に変化する様子も観測された。このような電子1個がもたらす分子振動数のわずかな変化も観測できるようになったのは,単一分子トランジスタ構造を用いて,分子の中の電子数や電位(静電ポテンシャル)を精密に制御できるようになったためだという。

分子振動の微細構造なども明らかにできる1分子のテラヘルツ計測が可能になったことにより,遺伝子やタンパク質の分子レベルの構造や機能の解析,分子レベルの情報に基づいた医薬品の開発など,物理,化学,生物学,薬学などの基礎から応用に関わる広い分野に大きな発展をもたらすと期待されるとしている。

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