渦状分子配向を持つマイクロ球体から土星の輪状のレーザー発振を実証

概要

キラル（鏡像を重ね合わせることができない構造）なπ共役高分子（炭素原子の単結合と二重結合が交互に連なった分子）が形成するマイクロ球体において、球体表面に渦状の分子配向が生じることを見いだしました。また、この球体では、レーザー発振が円環放射（土星の輪）状に起こることが分かりました。
　光を微小空間で制御することは、光集積回路や局所センサーなどの次世代光デバイスにおいて重要な技術です。発光性を示すπ共役高分子（炭素原子の単結合と二重結合が交互に連なった分子）から形成されるマイクロ球体は、自らの発光を閉じ込めて増幅する光共振器として振る舞い、微小な有機レーザー素子への応用が期待されています。しかし、球体は等方的な形状であるため、全方向に光の放射が起こり、放射方向を定めることは困難でした。
　本研究では、キラル（鏡像を重ね合わせることができない構造）なπ共役ポリマーの自己組織化によって形成したマイクロ球体において、光の共振現象が閉じ込め経路の角度に依存し、特定の方位角方向にレーザー発振が生じることを実証しました。
　このマイクロ球体は、ねじれ双極構造と呼ばれる特異な分子配向構造を持ちます。球体表面の偏光発光イメージングにより、このねじれ双極球体の表面では高分子主鎖が渦状に配列していることを可視化しました。また、この渦状の分子配向が、球体表面では光が周回する経路によって異なる屈折率をもたらすために、共振波長や発光位置が球体の方位角に依存することを見いだしました。さらに、この球体では、増幅された光が円環放射（土星の輪）状に強く放射される、方向選択的なレーザー発振が生じました。本研究は、球体表面に形成した渦状の分子配向を利用して、球体形状でありながら光の放射方向を制御できることを示した初めての成果です。

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プレスリリース

研究代表者

筑波大学数理物質系
山本 洋平　教授
大木 理　助教

東京大学 先端科学技術研究センター
岩本 敏　教授

東京科学大学 総合研究院 未来産業技術研究所
Wenbo Lin（林 文博）　助教

掲載論文

【題名】

Angle-Selective Optical Resonance and Circular Radial Lasing from a Chiral Polymeric Microsphere.
（キラル高分子マイクロ球体における角度選択光共鳴と円環放射状レーザー発振）

【掲載誌】

Journal of the American Chemical Society

【DOI】

10.1021/jacs.6c01819

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