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水の分子間相互作用の研究

  • 　毎日私達がお世話になっている”水”ですが、実はとても不思議な性質をもっています。 物質は温度を下げていくと体積も減少していくものですが、水の場合は約4℃を境にさらに温度を下げると体積が増加に転じます！また、私達が使っている水は実は超臨界状態の水で温度を下げていくと高密度水と低密度水に相が分かれる、という第二臨界点仮説があります。 これらのような水の不思議な性質は温度を下げていくとより顕著になっていくので、より低温の水の研究が解明の鍵となります。
    　この研究チームでは、レーザーを使うことによって水を浮遊させて-30℃まで液体を保つことが出来ます。この水から発せられる散乱光より描かれるラマンスペクトルは水分子の振動状態を表しています。温度によって推移していくスペクトルを解析し、メカニズムの解明へと迫ります。

中心の小さな光が水の粒です。左右の窓から入ってくるレーザーで浮遊させると、過冷却状態(０℃以下)で水を保つことが出来るのです！

散乱光から得られた-27.9℃の水のラマンスペクトルです。

生体物質を用いた原子光学素子の開発

　原子の波動性を利用して、回折や屈折という光学現象を原子ビームで実現しようとする分野を原子光学という。原子ビームを使った原子光学機器が可能となれば精密計測技術に大きな進展をもたらすと期待される。しかし、中性原子を反射したり屈折させたりする原子光学素子が存在しなかったこと、常温ではドブロイ波長が短く実験が困難だったことなどにより、原子光学の実験にあまり進展が見られなかった。ところがレーザー冷却や光トラッピング技術が確立しはじめると、中性原子を冷却することによりドブロイ波長を長くすることができ、原子光学の実験も実現味をおびてきた。　しかし、これまでの原子ビームの回折実験に用いられる原子光学素子は微細加工の回折格子や光定在波による周期ポテンシャルを用いて行われており、これらの方法で実現できる格子間隔はサブミクロンオーダーが限界である。更に格子間隔を微細化できれば、より大きな回折角を得ることができ、回折格子の分解能を向上することができる。また、ドブロイ長の比較的短い熱原子線に対しても原子光学を拡張できるかもしれない。　そのため、我々は、生体分子の自己組織化により合成される磁性粒子アレイを利用して、ナノスケールのピッチをもつ原子線の回折格子を開発しようとしている。生体内に存在するフェリチンはかご状のたんぱく質で、鉄イオンを内部に取り込んでフェライト結晶として貯蔵する性質を持っている。自己集合により二次元結晶を形成した後にたんぱく質を除去することで、磁性粒子アレイを十数ナノメートルの周期で精密に並べることができる。磁性アレイの上空には周期的なゼーマンポテンシャルが生じており、原子線に対して2次元回折格子として作用する。フェリチンの配列周期は極めて短いため、比較的短い熱的ドブロイ波長をもつ原子線でも原子の波動性を観察できると期待される。 　本研究では、ナノ磁性アレイによる回折実験のために低速原子線源の開発を行う。ピラミッド型MOTによりCsの低温原子集団を生成し、それを偏光勾配冷却でさらに冷却してCsの極低温原子集団を生成する。これをムービングモラセス法で打ち出すことにより低速原子線を生成する。ピラミッド型MOTでは、ピラミッド型の凹面を持つ4面反射ミラーの多重反射を用いることによって、従来のMOTと比較して、簡便な光学系でMOTが実現されている。

熱放射

　恒星や熱した金属など、温度の高い物体は光を発する。これを熱放射といい、放射する光の色は温度によって決まる。光の色はその光の波長によって決まるが、多くの場合、光は様々な波長の光が混ざり合った状態になっていて、どの波長がどれだけの強さで含まれているかを図によってあらわしたものをスペクトルと呼ぶ。
　多くの物体の熱放射スペクトルはその物性に依らず、温度のみに依存して変化するプランクの放射式に従っている。しかしながら、物体が、放射する光の波長に近い大きさになってくると、物体の内部で全反射した光が干渉を起こし、プランクの放射式とは異なったスペクトルが見られるようになる。
　我々の研究の目的は、微小な粒子の熱放射の様子を観測することであり、さらにアワビなどのように表面構造によって光の干渉を起こす物体についてもその熱放射の様子を調べたいと考えている。