赤外プラズモニクスで拓く超高速分光 / Infrared Plasmonics Advances Ultrafast Spectroscopy

背景｜超高速分光法の課題
Introduction | Challenges in ultrafast spectroscopy

ポンプ・プローブ赤外分光法や二次元赤外分光法は、分子の立体構造とそのダイナミクスの知見を与えてくれますが、その潜在能力は十分に発揮されているとは言えません。一般に、振動遷移の双極子モーメントはとても小さい（電子遷移の約1000分の1程度）ため、計測には多数の同種分子を必要とするうえ、計測可能な振動モードが限られています。

Pump-probe IR spectroscopy and two-dimensional IR spectroscopy provides abundant information on molecular structures and their dynamics. Despite their fascinating potential, however, their applications are somewhat limited because of the weak absorption cross sections of molecular vibrations.

解決へのアプローチ｜プラズモニクスの利用
Approach | Utilization of plasmonics

赤外域のプラズモニクスは、この状況を打破する可能性を秘めています。赤外域に共鳴を持つ金属ナノ構造に赤外超短パルスレーザーを照射すると、自由電子の共鳴的な集団振動（局在表面プラズモン）が励起され、金属表面に時間・空間の両面で局在化・高強度化された電磁場が生成されます（Fig. 3）。この増強場を利用することで、赤外非線形分光の高感度化が期待されます[1,2]。

We may resolve these issues by introducing infrared plasmonics. Plasmonics takes advantage of coupling of light to metal electrons (Localized Surface Plasmon Resonance), enabling subwavelength localization and strong field enhancements (Fig. 3). Such enhancements should raise sensitivity of ultrafast infrared spectroscopy[1,2].

結果｜7桁の超高感度化に成功
Results | Successfully improved sensitivity by 7 orders

私たちは赤外共鳴ナノロッドアレイを用いることで、赤外非線形分光の超高感度化が可能であることを実証しました。個々のナノロッドのプラズモン共鳴に加え、ナノロッド同士の強め合い（集団的共鳴）条件を満足する周期アレイ構造を用いてポンプ・プローブ分光測定を行い、6-7桁にも及ぶ信号増強を達成しました。この手法を使えば、単分子膜や少量分子を対象とする計測や、小型の光源を使った計測が可能になると期待されます[3-5]。

We employ gold nanorod periodic arrays, satisfying not only infrared-resonance condition of individual nanorods but also collective-resonance condition among neighboring nanorods, to improve the sensitivity of infrared nonlinear spectroscopy by 6-7 orders of magnitude. Our method is useful for characterizing structure and dynamics of minute-volume molecular samples and monolayers, as well as paves the way to ultrafast infrared spectroscopy with compact light sources[3-5].