日本科学技术振兴机构（JST）的战略性创造研究推进项目中，德国马克斯·普朗克协会下属弗里茨·哈伯研究所的熊谷崇教授领导的研发小组，利用自主开发的可进行高精度光激发和检测的低温扫描隧道显微镜（STM），成功观测到了通过纳米尺度的光——局域表面等离子体激发产生的共振隧穿型电子传输现象（图1）。
图1：利用低温扫描隧道显微镜（STM）观测到的、通过基于可见光的局域表面等离子体激发产生的全新电子传输现象的示意图
＜研究内容＞
研发小组利用自主开发的可进行光激发和检测的低温扫描隧道显微镜（STM），调查了基于金属纳米腔体的表面等离子体共振激发的电子传输现象，这在表面等离子体光子学（Plasmonics）的应用中至关重要。此次实验，全球首次成功观测到了共振隧穿型电子传输现象，该现象是通过用可见光范围的激光照射STM隧道结时产生的表面等离子体激发实现的。
实验在10-8Pa以下的超高真空环境下通过STM的隧道结实施，此次采用原子级清洁的银单晶表面和等离激元银探针及金探针构成的隧道结。结内存在被电位关在里面的电子离散能级（图2a）。利用纳米级的局域光谱法——扫描隧道谱（STS）可以直接观测这些能级（图2b）。基于表面等离子体激发的电子共振隧穿现象，作为STS光谱中出现的共振水平的变化被清楚观测到（图2b的红线）。另外，还同时获得了基于STM隧道电子激发的等离子体发光光谱。该实验证明，在自由空间传播的光因隧道结的局域表面等离子体激发被关闭在微小空间内，使得结内的局域电场明显增强，从而发生了此次观测到的现象。
图2：隧道结的共振隧穿型电子传输模式图和STS光谱
要想使隧道结内高效产生局域表面等离子体，向纳米尺度的隧道结精确照射激光的技术必不可少，但以往的装置很难进行这样的控制。此次，研发小组通过为STM测量台安装能利用压电马达驱动的高数值孔径抛物面反射镜，以前所未有的高精度将激光照向隧道结。
基于局域表面等离子体激发的电子传输在纳米光电子器件、等离激元光伏电池及等离激元催化剂等广泛领域的应用备受期待。此次的发现提供了能为这些领域做出贡献的重要基础科学知识。另外，利用此次开发的STM尖端测量技术，今后还有望发现与纳米尺度的光与物质间的相互作用有关的全新物理现象。
相关研究成果将于近日发表在美国物理学会的期刊《物理评论快报》的网络版上。
文 JST客观日本编辑部
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