オプトメカニクスに基づく高感度・広帯域な核磁気共鳴測定法の開発

基于光力学的高灵敏宽带核磁共振测量方法开发

基本信息

批准号：
20J14033
负责人：
冨永雄介
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J14033/
关键词：
オプトメカニクス NMR ハイブリッド量子系高感度化

项目摘要

本年度の成果は主に以下の二つである．第一に，機械振動子を組み込んだ光共振器を安定化したことである．光-機械結合を強化するためには，共振器に入射するレーザーパワーを強くする必要があるが，鏡として薄膜上に蒸着した金属を用いると，レーザーの一部は金属に吸収され，熱に変換される．そのため，光を強くすると光共振器が不安定化し，高感度な信号検出やレーザー冷却を妨げることになる．本研究では，薄膜上に蒸着金属ではなく，メタサーフェスと呼ばれる構造を組み込みこれを鏡として用いることで，鏡による光の吸収を小さくした．メタサーフェスとは，レーザーの波長程度の周期で穴を開けた構造であり，特定の波長の光を高い反射率で反射することができる．この結果，薄膜の振動測定を長時間，安定的に行えるようになったことを実験的に示した．さらに，電気-機械-光結合を解して電気信号を光変換した．この成果はApplied Physics Expressに掲載された．第二に，小型な電気-機械-光変換モジュールを自作し，超伝導磁場中に系を構築したことである．通常，光学系は安定に組むために大型の定盤上でアライメントされるが，本研究では化学分析で用いられる核磁気共鳴法（NMR)への応用を考えて，超伝導磁場内の限られた空間でアライメントできる機構を備えた電気-機械-光結合系を設計した．作成した装置を用いて実際にINEPT法によって磁化を移動した炭素13のNMR信号を取得することに成功した．この成果はAnalystに掲載され，Analyst HOT Articles 2022に選ばれた．これまでオプトメカニクスは物理学的観点から研究されてきたが，以上の一連の研究は，高感度な化学分析手法への応用の道を開いたといえる．

今年的成绩主要有以下两个。首先，使包含机械振荡器的光学谐振器稳定。为了加强光机耦合，需要增加入射到谐振器上的激光功率，但如果使用沉积在薄膜上的金属作为反射镜，则部分激光束将被金属吸收并且会产生热量。因此，增加光的强度会破坏光学谐振腔的稳定性，从而阻碍高灵敏度的信号检测和激光冷却。在这项研究中，我们在薄膜上采用了一种称为超表面的结构，而不是气相沉积金属，并将其用作镜子，以减少镜子的光吸收。超表面是一种以与激光波长相似的周期打孔的结构，可以以高反射率反射特定波长的光。结果，我们通过实验证明了薄膜的振动测量可以长时间稳定地进行。此外，通过机电光耦合将电信号转换为光信号。该成果发表在《应用物理快报》上。其次，我们创建了一个小型机电光转换模块，并在超导磁场中构建了一个系统。通常，光学系统在大表面板上对齐以确保稳定性，但在本研究中，考虑到化学分析中使用的核磁共振（NMR）的应用，我们设计了一种电-机-光耦合系统，允许空间对齐的机制。使用所创建的装置，我们成功地实际获取了使用INEPT方法转移磁化强度的碳13的NMR信号。该结果发表在Analyst上，并入选2022年Analyst HOT Articles。迄今为止，光力学一直是从物理角度进行研究，但上述一系列研究可以说为其应用于高灵敏度的化学分析方法铺平了道路。