JP2012083427A - Method for controlling transmission of light energy between nano substances, and method and apparatus for evaluating transmission efficiency of light energy between nano substances - Google Patents

Method for controlling transmission of light energy between nano substances, and method and apparatus for evaluating transmission efficiency of light energy between nano substances Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide technology for controlling transmission of light energy between nano substances.SOLUTION: A control device 200 includes a light source 201, a substrate fixing unit 202, a detecting unit 203, an oscillation external field generating unit 204, and a control unit 205. The light source 201 generates light that induces photo-induced polarization in a nano substance (segment) included in a nano structure 20. The nano structure includes a first nano substance (equivalent to a segment 1) fixed to a substrate 4, a second nano substance (equivalent to a segment 2), and a joining nano substance joining the first and second nano substances. The oscillation external field generating unit 204 generates an oscillation external field for inducing a specific oscillation state of the joining nano substance. The control unit 205 controls the intensity of the oscillation external field (e.g., the intensity of terahertz waves) generated by the oscillation external field generating unit 204 or controls the power of the light source 201.

Description

本発明は、ナノ物質間の光エネルギーの伝達制御方法および装置、ならびにナノ物質間の光エネルギーの伝達効率の評価方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for controlling the transmission of light energy between nanomaterials, and a method and apparatus for evaluating the efficiency of transmitting light energy between nanomaterials.

2つのナノ物質が光の波長以下のスケールまで近接した系に光が照射された場合、それらのナノ物質の各々に、その光による分極が生じる。光誘起分極した2つのナノ物質間の相互作用によって、当該物質間に引力あるいは斥力が生じる。具体的には、光の電場の振動方向、すなわち偏光の方向が2つの物質の配列方向に平行である場合、2つの物質間に引力が働く。一方、偏光の方向が2つの物質の配列方向と垂直である場合には、2つの物質間に斥力が働く。これが物質間光誘起力の基本的なメカニズムである。   When light is irradiated to a system in which two nanomaterials are close to a scale below the wavelength of light, each of the nanomaterials is polarized by the light. The interaction between the two nanomaterials that are light-induced polarization causes attraction or repulsion between the materials. Specifically, when the vibration direction of the electric field of light, that is, the direction of polarization is parallel to the arrangement direction of the two substances, an attractive force acts between the two substances. On the other hand, when the direction of polarization is perpendicular to the arrangement direction of the two substances, a repulsive force acts between the two substances. This is the basic mechanism of the photoinduced force between substances.

このようなメカニズムを用いたナノ物質の操作方法が、たとえば特表2006−027863号公報(特許文献1)に開示される。特許文献1によれば、複数のナノ物質からなるナノ物質集団に、当該ナノ物質の電子的励起準位に共鳴する光が照射される。上記方法によれば、その光の偏光方向を変化させることによってナノ物質間に作用する引力または斥力が、ナノ物質の操作に利用される。   A method for manipulating nanomaterials using such a mechanism is disclosed in, for example, JP-T-2006-027863 (Patent Document 1). According to Patent Document 1, a nanomaterial group composed of a plurality of nanomaterials is irradiated with light that resonates with the electronic excitation level of the nanomaterial. According to the above method, the attractive force or repulsive force acting between the nanomaterials by changing the polarization direction of the light is used for the manipulation of the nanomaterials.

特表2006−027863号公報JP 2006-027863 Publication

近年、環境およびエネルギー問題についての意識が高まることにより、光エネルギー変換に関する研究開発が盛んに行なわれている。たとえば太陽光電池に関しては、光エネルギーから電気エネルギーへの変化効率を高めるための研究開発、あるいは太陽光電池の素材に関する研究開発が盛んに行なわれている。   In recent years, research and development related to light energy conversion has been actively conducted due to an increase in awareness of environmental and energy problems. For example, with respect to solar cells, research and development for increasing the change efficiency from light energy to electric energy, or research and development on materials for solar cells, are actively conducted.

一方では、高いエネルギー変換効率が得られる原理を解明するための試みもなされている。たとえば、光合成に関する機構といった、生態系における光電変換系の機構を解明するための取り組みがなされている。別の例では、光捕集機能を有するデンドリマー(たとえばポルフィリンデンドリマー)におけるエネルギーの移動に関して数多くの研究がなされている。   On the other hand, attempts have been made to elucidate the principle of obtaining high energy conversion efficiency. For example, efforts are being made to elucidate the mechanism of photoelectric conversion systems in ecosystems, such as the mechanism related to photosynthesis. In another example, a great deal of research has been done on energy transfer in dendrimers (eg, porphyrin dendrimers) that have a light collecting function.

上記デンドリマーでは、光捕集アンテナ(側鎖)からコアに高い効率(たとえば70〜80%の量子効率)でエネルギーを伝達することが可能である。このようなエネルギー伝達に関して、たとえば以下のようなモデルが提案されている。すなわち、光励起によってデンドリマーの最外殻に励起子が形成される。この励起子が分子振動(フォノン)の補助を受けることによって、エネルギーがデンドリマーの最外殻からデンドリマーのコア部に効率よく輸送される。   In the dendrimer, energy can be transmitted from the light collecting antenna (side chain) to the core with high efficiency (for example, quantum efficiency of 70 to 80%). For example, the following model has been proposed for such energy transfer. That is, excitons are formed in the outermost shell of the dendrimer by photoexcitation. This exciton is assisted by molecular vibration (phonon), so that energy is efficiently transferred from the outermost shell of the dendrimer to the core of the dendrimer.

上記特許文献1は、ナノ物質を光によって操作する技術を開示するものの、ナノ物質間における光エネルギーの伝達効率について開示していない。したがって特許文献1は、ナノ物質間における光エネルギーの伝達を制御するための技術を開示していない。   Although the said patent document 1 discloses the technique which manipulates a nanomaterial with light, it does not disclose about the transmission efficiency of the light energy between nanomaterials. Therefore, Patent Document 1 does not disclose a technique for controlling the transmission of light energy between nanomaterials.

本発明の目的は、ナノ物質間における光エネルギーの伝達を制御するための技術を提供することである。   An object of the present invention is to provide a technique for controlling the transmission of light energy between nanomaterials.

本発明の一局面に従うナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法は、各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体を準備するステップと、第1のナノ物質に光を照射するステップと、振動外場によって、接合ナノ物質の所定の振動モードを励振するステップと、振動外場の強度を制御することにより、第1のナノ物質から第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を制御するステップとを備える。   The method for controlling light energy transfer between nanomaterials according to one aspect of the present invention connects the first and second nanomaterials each having photoresponsiveness and the first and second nanomaterials and has elasticity. Preparing a nanostructure including a bonded nanomaterial; irradiating light to the first nanomaterial; exciting a predetermined vibration mode of the bonded nanomaterial by a vibrating external field; Controlling the transmission efficiency of light energy from the first nanomaterial to the second nanomaterial by controlling the intensity of.

好ましくは、制御するステップは、第2のナノ物質に伝達された光エネルギーの強度および周波数に基づいて、振動外場の強度を変化させるステップを含む。   Preferably, the controlling step includes changing the intensity of the vibrating external field based on the intensity and frequency of light energy transmitted to the second nanomaterial.

好ましくは、準備するステップは、ナノ構造体を冷却するステップを含む。
好ましくは、第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定される。光は、基板の表面の近傍に生じたエバネッセント光である。
Preferably, the step of preparing includes the step of cooling the nanostructure.
Preferably, the first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate. The light is evanescent light generated near the surface of the substrate.

好ましくは、ナノ構造体は、有機分子である。振動外場は、赤外線(テラヘルツ波を含む)である。   Preferably, the nanostructure is an organic molecule. The vibration external field is infrared (including terahertz waves).

本発明の他の局面に従うナノ物質間の光エネルギー伝達制御装置は、光源と、振動外場発生部と、制御部とを備える。光源は、各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体に含まれる、第1のナノ物質に、光を照射する。振動外場発生部は、接合ナノ物質の所定の振動モードを励振するための振動外場を発生させる。制御部は、振動外場の強度を制御することにより、第1のナノ物質から第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を制御する。   An optical energy transfer control device between nanomaterials according to another aspect of the present invention includes a light source, a vibration external field generation unit, and a control unit. The light source is included in a nanostructure including first and second nanomaterials each having photoresponsiveness, and a bonded nanomaterial that connects the first and second nanomaterials and has elasticity. One nanomaterial is irradiated with light. The vibration external field generator generates a vibration external field for exciting a predetermined vibration mode of the bonded nanomaterial. The control unit controls the transmission efficiency of light energy from the first nanomaterial to the second nanomaterial by controlling the intensity of the vibration external field.

好ましくは、制御部は、第2のナノ物質に伝達された光エネルギーの強度および周波数に基づいて、振動外場の強度を変化させる。   Preferably, the control unit changes the intensity of the vibration external field based on the intensity and frequency of the light energy transmitted to the second nanomaterial.

好ましくは、制御装置は、ナノ構造体を冷却する冷却部をさらに含む。
好ましくは、第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定される。光源は、エバネッセント光を基板の表面の近傍に生じさせる。
Preferably, the control device further includes a cooling unit for cooling the nanostructure.
Preferably, the first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate. The light source generates evanescent light in the vicinity of the surface of the substrate.

好ましくは、ナノ構造体は、有機分子である。振動外場は、赤外線(テラヘルツ波を含む)である。   Preferably, the nanostructure is an organic molecule. The vibration external field is infrared (including terahertz waves).

本発明のさらに他の局面に従うナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価方法は、各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体のモデルの初期条件を設定するステップと、接合ナノ物質の所定の振動モードが振動外場によって励振された状態を模擬するステップと、第1のナノ物質に光が照射されたことによって生じる第2のナノ物質の分極を算出するステップと、分極に基づいて、第1のナノ物質から第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を評価するステップとを備える。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for evaluating the efficiency of light energy transfer between nanomaterials, wherein the first and second nanomaterials each having photoresponsiveness are connected to the first and second nanomaterials and stretched. A step of setting an initial condition of a model of a nanostructure including a bonding nanomaterial having a property, a step of simulating a state in which a predetermined vibration mode of the bonding nanomaterial is excited by a vibration external field, and a first nano A step of calculating a polarization of the second nanomaterial generated by irradiating the material with light, and a step of evaluating a transmission efficiency of light energy from the first nanomaterial to the second nanomaterial based on the polarization With.

好ましくは、評価するステップは、分極の絶対値の時間平均の極大値に基づいて、伝達効率を評価するステップを含む。   Preferably, the step of evaluating includes the step of evaluating the transmission efficiency based on a maximum value of a time average of absolute values of polarization.

好ましくは、評価するステップは、極大値を、その大きさによって複数のレベルの各々と比較するステップを含む。複数のレベルは、伝達効率と関連付けられる。   Preferably, the step of evaluating includes the step of comparing the maximum value with each of the plurality of levels according to its magnitude. Multiple levels are associated with transmission efficiency.

好ましくは、模擬するステップは、接合ナノ物質の振幅を変更するステップを含む。評価するステップは、極大値に対応する光周波数と振幅との間の相関関係を決定するステップを含む。   Preferably, the step of simulating includes changing the amplitude of the bonded nanomaterial. The step of evaluating includes determining a correlation between optical frequency and amplitude corresponding to the local maximum.

好ましくは、評価するステップは、接合ナノ物質の振幅が一定である場合における、極大値に対応する光周波数を決定するステップを含む。   Preferably, the step of evaluating includes the step of determining the optical frequency corresponding to the maximum value when the amplitude of the bonded nanomaterial is constant.

好ましくは、評価方法は、量子化学計算によって、所定の振動モードに対応する接合ナノ物質の共振周波数を算出するステップをさらに備える。   Preferably, the evaluation method further includes a step of calculating a resonance frequency of the bonded nanomaterial corresponding to a predetermined vibration mode by quantum chemical calculation.

好ましくは、第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定される。第1のナノ物質に照射される光は、基板の表面の近傍に生じたエバネッセント光である。   Preferably, the first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate. The light irradiated to the first nanomaterial is evanescent light generated in the vicinity of the surface of the substrate.

好ましくは、ナノ構造体は、有機分子である。振動外場は、赤外線(テラヘルツ波を含む)である。   Preferably, the nanostructure is an organic molecule. The vibration external field is infrared (including terahertz waves).

本発明のさらに他の局面に従うナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価装置は、初期条件設定部と、模擬部と、分極算出部と、評価部とを備える。初期条件設定部は、各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体のモデルの初期条件を設定する。模擬部は、接合ナノ物質の所定の振動モードが振動外場によって励振された状態を模擬する。分極算出部は、第1のナノ物質に光が照射されたことによって生じる第2のナノ物質の分極を算出する。評価部は、分極に基づいて、第1のナノ物質から第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を評価する。   An apparatus for evaluating light energy transfer efficiency between nanomaterials according to still another aspect of the present invention includes an initial condition setting unit, a simulation unit, a polarization calculation unit, and an evaluation unit. The initial condition setting unit is a model of a nanostructure including first and second nanomaterials each having photoresponsiveness, and a bonded nanomaterial that connects the first and second nanomaterials and has elasticity. Set initial conditions for. The simulation unit simulates a state in which a predetermined vibration mode of the bonded nanomaterial is excited by an external vibration field. The polarization calculation unit calculates the polarization of the second nanomaterial generated by irradiating the first nanomaterial with light. The evaluation unit evaluates the transmission efficiency of light energy from the first nanomaterial to the second nanomaterial based on the polarization.

好ましくは、評価部は、分極の絶対値の時間平均の極大値に基づいて、伝達効率を評価する。   Preferably, the evaluation unit evaluates the transmission efficiency based on the maximum value of the time average of the absolute value of polarization.

好ましくは、評価部は、極大値を、その大きさによって複数のレベルの各々と比較する。複数のレベルは、伝達効率と関連付けられる。   Preferably, the evaluation unit compares the maximum value with each of the plurality of levels according to the magnitude. Multiple levels are associated with transmission efficiency.

好ましくは、模擬部は、接合ナノ物質の振幅を変更する。評価部は、極大値に対応する光周波数と振幅との間の相関関係を決定する。   Preferably, the simulation unit changes the amplitude of the bonded nanomaterial. The evaluation unit determines a correlation between the optical frequency and the amplitude corresponding to the maximum value.

好ましくは、評価部は、接合ナノ物質の振幅が一定である場合における、極大値に対応する光周波数を決定する。   Preferably, the evaluation unit determines an optical frequency corresponding to the maximum value when the amplitude of the bonded nanomaterial is constant.

好ましくは、評価装置は、量子化学計算によって、所定の振動モードに対応する接合ナノ物質の共振周波数を算出する共振周波数解析部をさらに備える。   Preferably, the evaluation apparatus further includes a resonance frequency analysis unit that calculates a resonance frequency of the bonded nanomaterial corresponding to a predetermined vibration mode by quantum chemical calculation.

好ましくは、第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定される。第1のナノ物質に照射される光は、基板の表面の近傍に生じたエバネッセント光である。   Preferably, the first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate. The light irradiated to the first nanomaterial is evanescent light generated in the vicinity of the surface of the substrate.

好ましくは、ナノ構造体は、有機分子である。振動外場は、赤外線(テラヘルツ波を含む)である。   Preferably, the nanostructure is an organic molecule. The vibration external field is infrared (including terahertz waves).

本発明によれば、ナノ物質間における光エネルギーの伝達を制御するための技術を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique for controlling transmission of the light energy between nanomaterials can be provided.

本発明の実施の形態に係るナノ物質間の光エネルギーの伝達制御を説明するためのモデルを示した図である。It is the figure which showed the model for demonstrating transmission control of the light energy between the nanomaterials concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る評価方法を実行するコンピュータ100のハードウェア構成を説明した図である。It is a figure explaining the hardware constitutions of the computer 100 which performs the evaluation method which concerns on embodiment of this invention. 図2に示したCPU120の機能的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of CPU120 shown in FIG. 本発明の実施の形態に係る評価方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the flow of a process of the evaluation method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る評価方法に用いられるナノ構造体の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the nanostructure used for the evaluation method concerning an embodiment of the invention. 接合ナノ物質3が伸縮していない状態におけるセグメント2の分極の絶対値の時間平均を示した図である。It is the figure which showed the time average of the absolute value of the polarization of the segment 2 in the state which the joining nanomaterial 3 has not expanded-contracted. 接合ナノ物質3が伸縮する状態におけるセグメント2の分極の絶対値の時間平均を示した図である。It is the figure which showed the time average of the absolute value of the polarization of the segment 2 in the state which the joining nanomaterial 3 expands / contracts. 分極|P|の振幅bの依存性を示した図である。Polarization | is a diagram showing the dependence of the amplitude b | P 2. セグメント2の分極の増強率のスペクトルを示した図である。It is the figure which showed the spectrum of the enhancement factor of the polarization of the segment 2. FIG. 本発明の実施の形態に係るナノ物質間の光エネルギーの伝達制御装置の概略的構成を示した図である。It is the figure which showed schematic structure of the transmission control apparatus of the light energy between the nanomaterials concerning embodiment of this invention. 図10に示された制御装置200によるナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法を説明するためのフローチャートである。12 is a flowchart for explaining a method of controlling light energy transfer between nanomaterials by the control device 200 shown in FIG. 10. 図10に示された制御装置200によるナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法の他の例を説明するためのフローチャートである。12 is a flowchart for explaining another example of a method for controlling light energy transfer between nanomaterials by the control device 200 shown in FIG. 10. 本発明の応用例を示した図である。It is the figure which showed the example of application of this invention.

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

本発明において、「ナノ物質」は、ナノメートルのオーダーのサイズを有する粒子、構造体等を含む。「ナノメートルのオーダー」とは1から数百ナノメートルの範囲を含み、典型的には1から100ナノメートルの範囲である。   In the present invention, “nanomaterial” includes particles, structures and the like having a size on the order of nanometers. “Nanometer order” includes the range of 1 to several hundred nanometers, typically in the range of 1 to 100 nanometers.

本発明において、「光応答性を有するナノ物質」とは、光の照射によって光誘起分極が生じるナノ物質を意味する。一般には、誘電率、または分極率または光学的感受率が大きなナノ物質が好ましい。光応答性を有するナノ物質は、有機高分子、半導体量子ドット、金属ナノ粒子等を含むがこれらに限定されるものではない。光誘起分極とは、物質中の電子の運動が光によって励起されることにより生じる、物質の電気分極である。   In the present invention, “a nanomaterial having photoresponsiveness” means a nanomaterial in which light-induced polarization is caused by light irradiation. In general, a nanomaterial having a large dielectric constant, polarizability or optical sensitivity is preferred. Nanomaterials having photoresponsive properties include, but are not limited to, organic polymers, semiconductor quantum dots, metal nanoparticles, and the like. The light-induced polarization is an electric polarization of a substance that is generated when the movement of electrons in the substance is excited by light.

本発明において、「接合ナノ物質」とは、光応答性を各々有する2つのナノ物質間を接合するナノ物質を意味する。接合ナノ物質は、伸縮性を有するナノ物質であれば特に限定されず、たとえば鎖状分子およびポリマー等を含む。   In the present invention, the “joining nanomaterial” means a nanomaterial that joins two nanomaterials each having photoresponsiveness. The joining nanomaterial is not particularly limited as long as it is a stretchable nanomaterial, and includes, for example, chain molecules and polymers.

本発明において、「振動外場」とは、接合ナノ物質の共振周波数に実質的に等しい周波数を有する外場を意味する。接合ナノ物質の共振周波数とは、接合ナノ物質の特定の振動状態(所定の振動モード)を励振させる周波数である。「共振周波数に実質的に等しい周波数」とは、上記振動状態を励振させることが可能な周波数を意味する。なお、「接合ナノ物質の共振周波数」は「接合ナノ物質のフォノンの固有振動数」と読み替えることがで
きる。
In the present invention, “vibrating external field” means an external field having a frequency substantially equal to the resonant frequency of the bonded nanomaterial. The resonance frequency of the bonded nanomaterial is a frequency that excites a specific vibration state (predetermined vibration mode) of the bonded nanomaterial. The “frequency substantially equal to the resonance frequency” means a frequency that can excite the vibration state. “Resonant frequency of bonded nanomaterial” can be read as “natural frequency of phonon of bonded nanomaterial”.

この明細書において、「エネルギー」と「周波数(または角周波数)」とは相互に読み替え可能である。量子力学によれば、エネルギーEと角周波数ωとの間には、E=h/2π×ω(hはプランク定数)との関係が成立する。さらに、角周波数ωと周波数fとはω=2πfの関係にある。したがってこの明細書において「エネルギー」と「周波数(または角周波数)」とは相互に読み替え可能である。以下においては周波数fと角周波数ωとを区別する必要がない限り、「周波数」との用語は周波数fおよび角周波数ωの両方を包含するものとする。また、波長λは周波数fの逆数であるので、この関係に従って「エネルギー」と「波長」とを相互に読み替えることもできる。   In this specification, “energy” and “frequency (or angular frequency)” are interchangeable. According to quantum mechanics, a relationship of E = h / 2π × ω (h is Planck's constant) is established between the energy E and the angular frequency ω. Further, the angular frequency ω and the frequency f have a relationship of ω = 2πf. Therefore, in this specification, “energy” and “frequency (or angular frequency)” are interchangeable. In the following, unless it is necessary to distinguish between the frequency f and the angular frequency ω, the term “frequency” includes both the frequency f and the angular frequency ω. In addition, since the wavelength λ is the reciprocal of the frequency f, “energy” and “wavelength” can be interchanged according to this relationship.

<ナノ物質間の光エネルギーの伝達制御のモデル>
図1は、本発明の実施の形態に係るナノ物質間の光エネルギーの伝達制御を説明するためのモデルを示した図である。図1を参照して、ナノ構造体10は、光応答性を有するナノ物質1,2と、ナノ物質1,2に接合される接合ナノ物質3とを備える。このモデルでは、ナノ物質1,2は互いに同じ物質である。接合ナノ物質3は伸縮可能なナノ物質である。
<Model of control of light energy transfer between nanomaterials>
FIG. 1 is a diagram illustrating a model for explaining light energy transfer control between nanomaterials according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, nanostructure 10 includes nanomaterials 1 and 2 having photoresponsiveness, and bonded nanomaterial 3 bonded to nanomaterials 1 and 2. In this model, the nanomaterials 1 and 2 are the same material. The bonding nanomaterial 3 is a stretchable nanomaterial.

以下の説明においては、接合ナノ物質との区別が容易となるように、ナノ物質1,2をそれぞれ「セグメント1」および「セグメント2」と称する。このモデルでは、セグメント1,2の各々は、記述の簡略化のため球体で模しているが、特に限定されるものではない。   In the following description, the nanomaterials 1 and 2 are referred to as “segment 1” and “segment 2”, respectively, so that the nanomaterials 1 and 2 can be easily distinguished from each other. In this model, each of the segments 1 and 2 is modeled as a sphere for simplification of description, but is not particularly limited.

基板4は、透明な材料からなる。セグメント1は基板4に固定される。ナノ構造体10は、基板4の屈折率よりも低い屈折率を有する媒質中に置かれている。   The substrate 4 is made of a transparent material. The segment 1 is fixed to the substrate 4. The nanostructure 10 is placed in a medium having a refractive index lower than that of the substrate 4.

光6は、全反射条件を満たす入射角で基板4に入射する。基板4の表面で光6が全反射することによって、基板4の表面にエバネッセント光が生じる。このエバネッセント光がセグメント1に入射することによってセグメント1が励起される。セグメント1が励起されることによって、セグメント1に光誘起分極が生じる。なお、セグメント1に入射される光の偏光方向はZ方向である。セグメント2の感受率が0でなければ、初期においてセグメント2の光誘起分極は0であってもよい。   The light 6 enters the substrate 4 at an incident angle that satisfies the total reflection condition. By the total reflection of the light 6 on the surface of the substrate 4, evanescent light is generated on the surface of the substrate 4. When the evanescent light is incident on the segment 1, the segment 1 is excited. Excitation of segment 1 causes light-induced polarization in segment 1. The polarization direction of the light incident on the segment 1 is the Z direction. If the susceptibility of segment 2 is not 0, the light-induced polarization of segment 2 may be 0 initially.

一方、振動外場7が接合ナノ物質3に適用される。振動外場7の周波数は、接合ナノ物質3の共振周波数であり、本実施の形態では、すなわちフォノンの固有振動数Ωに等しい周波数である。この接合ナノ物質3の共振周波数は、古典的な弾性振動の固有振動数でもよく、特に限定されるものではない。このような振動外場によって、接合ナノ物質3の特定の振動状態が励振されるとともに、接合ナノ物質3はZ方向に沿って伸縮する。   On the other hand, a vibrating external field 7 is applied to the bonded nanomaterial 3. The frequency of the vibration external field 7 is the resonance frequency of the junction nanomaterial 3, and in this embodiment, that is, a frequency equal to the natural frequency Ω of the phonon. The resonance frequency of the bonding nanomaterial 3 may be a natural frequency of classical elastic vibration, and is not particularly limited. A specific vibration state of the bonded nanomaterial 3 is excited by such an external vibration field, and the bonded nanomaterial 3 expands and contracts along the Z direction.

接合ナノ物質3がZ方向に沿って伸縮することによって、セグメント2がZ方向に振動する。セグメント1の位置を基準位置(Z=0)とすると、セグメント1に対するセグメント2の相対距離dはd=a+bcosΩt(t:時間)と表わされる。aは、セグメント2の初期位置であり、たとえばレナード−ジョーンズポテンシャルに含まれる引力項(1/rのポテンシャル項)および斥力項(1/r12のポテンシャル項)が互いに等しくなるときの位置に対応する。bは、接合ナノ物質3の振幅、言い換えればフォノンの振幅である。なお、bは、a以下の値である。 As the bonded nanomaterial 3 expands and contracts along the Z direction, the segment 2 vibrates in the Z direction. If the position of segment 1 is the reference position (Z = 0), the relative distance d of segment 2 to segment 1 is expressed as d = a 0 + b cos Ωt (t: time). a 0 is the initial position of segment 2, for example, the position when the attractive term (1 / r 6 potential term) and repulsive term (1 / r 12 potential term) included in the Leonard-Jones potential are equal to each other Corresponding to b is the amplitude of the bonded nanomaterial 3, in other words, the amplitude of the phonon. In addition, b is a value below a0.

振動数Ωはセグメント1を励起する光6の周波数に比べて十分に低い。したがって、接合ナノ物質のフォノンの振動は、光6に共鳴するセグメント2の光誘起分極の振動よりも十分にゆっくりであり、断熱近似を適用することができる。   The frequency Ω is sufficiently lower than the frequency of the light 6 that excites the segment 1. Therefore, the vibration of the phonon of the junction nanomaterial is sufficiently slower than the vibration of the light-induced polarization of the segment 2 that resonates with the light 6, and the adiabatic approximation can be applied.

本発明の実施の形態では、接合ナノ物質3の振動(フォノン)がセグメント1,2間の光エネルギーの伝達を補助する。言い換えると、本発明の実施の形態では、接合ナノ物質3の振動(フォノン)を制御することによって、セグメント1,2間の光エネルギーの伝達が制御される。   In the embodiment of the present invention, the vibration (phonon) of the bonding nanomaterial 3 assists the transmission of light energy between the segments 1 and 2. In other words, in the embodiment of the present invention, the transmission of light energy between the segments 1 and 2 is controlled by controlling the vibration (phonon) of the bonded nanomaterial 3.

セグメント1からセグメント2に光エネルギーが伝達されることにより、セグメント2からシグナルが発せられる。セグメント2から発せられたシグナルは検出部5によって検出される。セグメント2から発せられたシグナルに基づいて、光エネルギーの伝達効率を評価することが可能になる。   As light energy is transmitted from segment 1 to segment 2, a signal is emitted from segment 2. A signal emitted from the segment 2 is detected by the detection unit 5. Based on the signal emitted from the segment 2, it becomes possible to evaluate the transmission efficiency of light energy.

本発明の実施の形態では、接合ナノ物質3の振動(フォノン)の具体的な制御として、振幅bを制御する。振幅bを制御することによって、たとえばセグメント1からセグメント2への光エネルギーの伝達効率を一定に保つことができる。あるいは、良好な伝達効率が得られるように、光エネルギーの伝達効率を制御することが可能になる。振幅bは、振動外場7の強度を制御することによって制御することができる。   In the embodiment of the present invention, the amplitude b is controlled as a specific control of the vibration (phonon) of the bonded nanomaterial 3. By controlling the amplitude b, for example, the transmission efficiency of light energy from segment 1 to segment 2 can be kept constant. Alternatively, the transmission efficiency of light energy can be controlled so that a good transmission efficiency can be obtained. The amplitude b can be controlled by controlling the intensity of the vibration external field 7.

<光エネルギーの伝達効率の評価>
図1に示されるモデルに従うナノ物質間の光エネルギーの伝達効率の評価について以下に説明する。まず、接合ナノ物質のフォノンの固有振動数は、以下に説明する量子化学計算によって見積もることができる。
<Evaluation of light energy transmission efficiency>
Evaluation of light energy transfer efficiency between nanomaterials according to the model shown in FIG. 1 will be described below. First, the natural frequency of the phonon of the junction nanomaterial can be estimated by quantum chemical calculation described below.

Hohenberg−Kohnの定理によれば、基底状態のエネルギーEelは、電子密度ρにより一義的に決定できる。さらに、基底状態のエネルギーEel(ρ(r))は、電子密度ρ(r)に関して最小化することにより得られる。基底状態のエネルギーEelは、以下の式(1)に従って表わされる。 According to the Hohenberg-Kohn theorem, the ground state energy E el can be uniquely determined by the electron density ρ. Furthermore, the ground state energy E el (ρ (r)) is obtained by minimizing the electron density ρ (r). The ground state energy E el is expressed according to the following equation (1).

は電子の運動による運動エネルギーの項であり、Eは核−電子引力と核間の反発エネルギーの項である。Eは電子−電子反発項であり、電子密度のクーロン自己相互作用に関する項である。EXCは交換相互作用における電子−電子相互作用を除く残りの部分に対応する。なお、基底関数には、系に適した関数の線形結合が用いられる。 E T is a term of kinetic energy by the movement of electrons, E V nuclear - a term of repulsion energy between electrons attraction and nuclear. E J is an electron-electron repulsion term, which is a term related to Coulomb self-interaction of electron density. EXC corresponds to the remaining part of the exchange interaction excluding the electron-electron interaction. Note that a linear combination of functions suitable for the system is used as the basis function.

セグメントの分極Pは、以下の式(2)に従って表わされる。   The segment polarization P is expressed according to the following equation (2).

j番目のセグメントの感受率χはLorentz型の光学的感受率であり、以下の式(3)に従って表わされる。 The susceptibility χ j of the j-th segment is a Lorentz-type optical susceptibility and is expressed according to the following equation (3).

ここでΘは、ステップ関数であり、セグメントの内部ではΘ=1となり、セグメントの外部ではΘ=0となる。ωelは、電子の固有周波数であり、物質の材料が既知の場合には文献から求めることもでき、未知の場合には、h/2π*ωel=Eelの関係から、式(1)に従って求めることもできる(hはプランク定数)。Vは、j番目のセグメントの体積である。Dは遷移双極子モーメントを表わす。 Here, Θ is a step function, and Θ = 1 inside the segment and Θ = 0 outside the segment. ω el is the natural frequency of the electron, and can be obtained from the literature when the material of the substance is known. If it is unknown, ω el is expressed by the equation (1) from the relationship of h / 2π * ω el = E el. (H is Planck's constant). V j is the volume of the j th segment. D represents the transition dipole moment.

応答光電場Eは、ナノ物質中のMaxwell方程式とグリーン関数とを用いて、以下の式(4)に従って表わされる。   The response photoelectric field E is expressed according to the following equation (4) using the Maxwell equation and the Green function in the nanomaterial.

球状のセルを用いた離散化積分方程式より導かれた分極Pと電場Eとは、以下の式(5)および式(6)に示される連立方程式から自己無撞着に決定できる。   The polarization P and the electric field E derived from the discretized integral equation using a spherical cell can be determined in a self-consistent manner from the simultaneous equations shown in the following equations (5) and (6).

式(6)におけるSは、光電磁場を介した自己相互作用に関する係数である。
初期においてセグメント1のみが励起されていると仮定する。セグメント1,2は同じナノ物質である。セグメント1の分極Pおよびセグメント2の分極Pは、以下の式(7)および式(8)に従ってそれぞれ表わされる。
S in Formula (6) is a coefficient regarding self-interaction via a photoelectric magnetic field.
Assume that only segment 1 is initially excited. Segments 1 and 2 are the same nanomaterial. Polarization P 2 of the polarization P 1 and segment 2 of segment 1 are represented respectively in accordance with the following equation (7) and (8).

qは光の波数(すなわち波長の逆数に比例)である。式(7)および式(8)におけるXは、以下の式(9)に従って表わされる。   q is the wave number of light (that is, proportional to the reciprocal of the wavelength). X in Formula (7) and Formula (8) is represented according to the following Formula (9).

式(9)に示されるように、セグメント2の光誘起分極Pは、Green関数G(d)を通じて相対距離dの関数となる。Green関数G(d)は、図1の配置では、以下の式(10)に従って表わされる。 As shown in equation (9), the light induced polarization P 2 of the segment 2 is a function of the relative distance d through Green function G (d). The Green function G (d) is expressed according to the following equation (10) in the arrangement of FIG.

なお、上記のように、dは、d=a+bcosΩtと表わされる。
フォノン振動数Ωの逆数(=1/Ω)で定まる周期よりも十分長い時間にわたる光誘起分極Pの絶対値の時間平均が算出される。分極Pの絶対値の時間平均が大きいことは、セグメント1から接合ナノ物質3を介してセグメント2に光エネルギーが伝達されたことによって、セグメント2において有意な大きさの分極が生じたことを表わす。したがって、分極Pの絶対値の時間平均を評価することにより、ナノ物質間の光エネルギーの伝達効率を評価することができる。なお、以下では、分極Pの絶対値を|P|と表わす場合がある。また、分極Pの絶対値の時間平均を「分極P(または|P|)の時間平均」と呼ぶ場合もある。
As described above, d is expressed as d = a 0 + b cos Ωt.
Time average of the absolute value of the light induced polarization P 2 is calculated over a sufficiently long time than the cycle determined by the reciprocal of the phonon vibration frequency Ω (= 1 / Ω). The large time average of the absolute value of the polarization P 2 indicates that a significant amount of polarization has occurred in the segment 2 due to the transfer of light energy from the segment 1 to the segment 2 via the junction nanomaterial 3. Represent. Therefore, by evaluating the time average of the absolute value of the polarization P 2, it is possible to evaluate the transmission efficiency of light energy between nanomaterials. Hereinafter, the absolute value of the polarization P 2 may be expressed as | P 2 |. Further, the time average of the absolute value of the polarization P 2 is sometimes referred to as "polarization P 2 (or | | P 2) time-averaged".

<評価装置および評価方法>
図2は、本発明の実施の形態に係る評価方法を実行するコンピュータ100のハードウェア構成を説明した図である。図2を参照して、コンピュータ100は、コンピュータ本体101と、フレキシブルディスク(Flexible Disk、以下「FD」と呼ぶ)ドライブ103と、光ディスクドライブ104と、通信インターフェイス105と、モニタ106と、キーボード107と、マウス108とを備える。FDドライブ103、光ディスクドライブ104、通信インターフェイス105、キーボード107およびマウス108は、バス102を介してコンピュータ本体101に接続される。
<Evaluation apparatus and evaluation method>
FIG. 2 is a diagram illustrating a hardware configuration of the computer 100 that executes the evaluation method according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, a computer 100 includes a computer main body 101, a flexible disk (hereinafter referred to as “FD”) drive 103, an optical disk drive 104, a communication interface 105, a monitor 106, a keyboard 107, and the like. And a mouse 108. The FD drive 103, the optical disc drive 104, the communication interface 105, the keyboard 107 and the mouse 108 are connected to the computer main body 101 via the bus 102.

FDドライブ103は、FD113から情報を読み出すとともにFD113に情報を記録する。光ディスクドライブ104は、CD−ROM(Compact Disc Read−Only Memory)114等の光ディスクに記録された情報を読み出す。通信インターフェイス105
は、コンピュータ100の外部の装置と通信回線(図示せず)を通じてデータを授受する。
The FD drive 103 reads information from the FD 113 and records information on the FD 113. The optical disc drive 104 reads information recorded on an optical disc such as a CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) 114. Communication interface 105
Transmits and receives data to and from a device external to the computer 100 via a communication line (not shown).

コンピュータ本体101は、CPU(Central Processing Unit)120と、ROM
(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を含むメモリ121と、ハードディスク122とを含む。CPU120、メモリ121、ハードディスク122は、バス102に接続される。
The computer main body 101 includes a CPU (Central Processing Unit) 120 and a ROM.
A memory 121 including a (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) and a hard disk 122 are included. The CPU 120, the memory 121, and the hard disk 122 are connected to the bus 102.

ハードディスク122は、ナノ構造物のモデルに関するモデルパラメータ130と、評価プログラム131と、接合ナノ物質の共振周波数を算出するための共振周波数解析プログラム132と、解析条件133と、解析パラメータ134と、評価結果135とを格納する。ハードディスク122は、直接アクセスメモリ装置の一例であって、ハードディスク122のかわりに、他の種類の直接アクセスメモリ装置を用いてもよい。   The hard disk 122 includes a model parameter 130 relating to the model of the nanostructure, an evaluation program 131, a resonance frequency analysis program 132 for calculating the resonance frequency of the bonded nanomaterial, an analysis condition 133, an analysis parameter 134, and an evaluation result. 135 are stored. The hard disk 122 is an example of a direct access memory device, and other types of direct access memory devices may be used instead of the hard disk 122.

モデルパラメータ130は、セグメントのサイズ(半径、体積等)、電子系の共鳴エネルギー、双極子モーメント、等のナノ構造物のモデルに関する各種のパラメータを含む。解析条件133は、共振周波数解析プログラム132の実行のための各種の条件を含む。解析パラメータ134は、共振周波数解析プログラム132の実行に用いられる各種のパラメータを含む。   The model parameters 130 include various parameters relating to the nanostructure model, such as segment size (radius, volume, etc.), resonance energy of the electron system, dipole moment, and the like. The analysis condition 133 includes various conditions for executing the resonance frequency analysis program 132. The analysis parameter 134 includes various parameters used for executing the resonance frequency analysis program 132.

共振周波数解析プログラム132が実行されることによって共振周波数Ωが算出される。算出された周波数Ωは、たとえばモデルパラメータ130の一部としてハードディスク122に保存される。   The resonance frequency Ω is calculated by executing the resonance frequency analysis program 132. The calculated frequency Ω is stored in the hard disk 122 as a part of the model parameter 130, for example.

評価プログラム131は、モデルパラメータ130に基づいてナノ物質間の光エネルギーの伝達効率を評価するためのプログラムである。評価結果135は、評価プログラム131の実行結果を含む。なお、評価プログラム131および共振周波数解析プログラム132が1つのプログラムに統合されてもよい。   The evaluation program 131 is a program for evaluating the light energy transfer efficiency between the nanomaterials based on the model parameter 130. The evaluation result 135 includes the execution result of the evaluation program 131. Note that the evaluation program 131 and the resonance frequency analysis program 132 may be integrated into one program.

モデルパラメータ130、解析条件133および解析パラメータ134は、通信インターフェイス105を介して外部のデータベースから供給されてもよい。同様に、評価プログラム131および/または共振周波数解析プログラム132は、FD113およびCD−ROM114等の記憶媒体によってコンピュータ100に供給されてもよく、あるいは、他のコンピュータから通信回線を経由してコンピュータ100に供給されてもよい。   The model parameter 130, the analysis condition 133, and the analysis parameter 134 may be supplied from an external database via the communication interface 105. Similarly, the evaluation program 131 and / or the resonance frequency analysis program 132 may be supplied to the computer 100 by a storage medium such as the FD 113 and the CD-ROM 114, or from another computer to the computer 100 via a communication line. It may be supplied.

上記の評価プログラム131および共振周波数解析プログラム132は、CPU120により実行されるソフトウェアである。CPU120が上記プログラムを実行することによって、コンピュータ100は、ナノ物質間の光エネルギーの伝達効率を評価するための装置として機能する。   The evaluation program 131 and the resonance frequency analysis program 132 are software executed by the CPU 120. When the CPU 120 executes the above program, the computer 100 functions as an apparatus for evaluating the transmission efficiency of light energy between nanomaterials.

図3は、図2に示したCPU120の機能的構成を示すブロック図である。図3を参照して、CPU120は、共振周波数解析部150と、伝達効率解析部160と、解析制御部170とを備える。伝達効率解析部160は、振動状態模擬部162と、初期条件設定部164と、分極算出部166と、評価部168とを含む。   FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the CPU 120 shown in FIG. Referring to FIG. 3, CPU 120 includes a resonance frequency analysis unit 150, a transmission efficiency analysis unit 160, and an analysis control unit 170. The transmission efficiency analysis unit 160 includes a vibration state simulation unit 162, an initial condition setting unit 164, a polarization calculation unit 166, and an evaluation unit 168.

共振周波数解析部150は、解析条件133および解析パラメータ134に基づき、共振周波数解析プログラム132に従って接合ナノ物質の共振周波数を算出する。共振周波数解析プログラム132は、上述した量子化学計算に従って接合ナノ物質の共振周波数Ωを算出するためのプログラムである。共振周波数解析部150によって算出された共振周波数Ωは、モデルパラメータ130の一部としてハードディスク122に格納される。ただし、共振周波数Ωはモデルパラメータ130とは別のパラメータとしてハードディスク122に格納されてもよい。   The resonance frequency analysis unit 150 calculates the resonance frequency of the bonded nanomaterial according to the resonance frequency analysis program 132 based on the analysis condition 133 and the analysis parameter 134. The resonance frequency analysis program 132 is a program for calculating the resonance frequency Ω of the bonded nanomaterial according to the above-described quantum chemical calculation. The resonance frequency Ω calculated by the resonance frequency analysis unit 150 is stored in the hard disk 122 as a part of the model parameter 130. However, the resonance frequency Ω may be stored in the hard disk 122 as a parameter different from the model parameter 130.

振動状態模擬部162は、モデルパラメータ130から接合ナノ物質の共振周波数Ω、セグメント2の初期位置aおよび振幅bの値を取得する。振動状態模擬部162は、共振周波数Ω、初期位置aおよび振幅bを取得することにより、時間tに応じて変化するセグメント1,2間の相対距離d(=a+bcosΩt)を決定する。振動状態模擬部162は、相対距離dを表わす関数を決定することにより、接合ナノ物質の特定の振動状態が振動外場によって励振された状態を模擬する。 The vibration state simulation unit 162 acquires values of the resonance frequency Ω, the initial position a 0 and the amplitude b of the segment 2 from the model parameter 130. The vibration state simulation unit 162 acquires the resonance frequency Ω, the initial position a 0, and the amplitude b, thereby determining the relative distance d (= a 0 + b cos Ωt) between the segments 1 and 2 that changes according to the time t. The vibration state simulation unit 162 simulates a state in which a specific vibration state of the bonded nanomaterial is excited by a vibration external field by determining a function representing the relative distance d.

初期条件設定部164は、モデルパラメータ130から、セグメントのサイズ(半径、体積等)、電子系の共鳴エネルギー等のパラメータを取得することにより、ナノ複合体の初期条件を設定する。初期条件とは、セグメント1への光の入射によってセグメント1のみが分極した状態に対応する。セグメント1に入射する光は、基板の表面近傍に生じたエバネッセント光である。   The initial condition setting unit 164 sets the initial condition of the nanocomposite by acquiring parameters such as the segment size (radius, volume, etc.) and the resonance energy of the electron system from the model parameter 130. The initial condition corresponds to a state in which only the segment 1 is polarized by the incidence of light on the segment 1. The light incident on the segment 1 is evanescent light generated near the surface of the substrate.

分極算出部166は、初期条件設定部164によって設定されたナノ複合体の上記条件、および振動状態模擬部162によって設定されたセグメント1,2間の相対距離d(=a+bcosΩt)に基づき、評価プログラム131に従って、セグメント2の分極P
の時間平均を算出する。評価プログラム131は、上記の式(8)に従って分極Pの時間平均の光エネルギースペクトルを数値計算するためのプログラムである。
The polarization calculation unit 166 is based on the above-described conditions of the nanocomposite set by the initial condition setting unit 164 and the relative distance d (= a 0 + bcosΩt) between the segments 1 and 2 set by the vibration state simulation unit 162. According to the evaluation program 131, the polarization P of segment 2
The time average of 2 is calculated. Evaluation program 131 is a program for numerically calculating the light energy spectrum of the time average of the polarization P 2 according to the above equation (8).

評価部168は、分極算出部166の算出結果、すなわち分極Pの時間平均の光エネルギースペクトルに基づいて、セグメント1からセグメント2への光エネルギーの伝達効率を評価する。評価部168は、評価結果135をハードディスク122に格納する。 Evaluation unit 168, the calculation result of the polarization calculation section 166, i.e., based on the time average of the light energy spectrum of the polarization P 2, to evaluate the transmission efficiency of light energy from the segment 1 to segment 2. The evaluation unit 168 stores the evaluation result 135 in the hard disk 122.

解析制御部170は、共振周波数解析部150および伝達効率解析部160を統括的に制御する。   The analysis control unit 170 comprehensively controls the resonance frequency analysis unit 150 and the transmission efficiency analysis unit 160.

図4は、本発明の実施の形態に係る評価方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、図2および図3に示したコンピュータ100により実行される。なお、本発明の実施の形態に係る評価方法は図4に示した順序に従って実行されるものと限定されない。たとえば処理の順序が適宜変更されてもよいし、複数の処理が並行して実行されてもよい。   FIG. 4 is a flowchart showing an example of a processing flow of the evaluation method according to the embodiment of the present invention. The processing of this flowchart is executed by the computer 100 shown in FIGS. Note that the evaluation method according to the embodiment of the present invention is not limited to being executed according to the order shown in FIG. For example, the order of the processes may be changed as appropriate, and a plurality of processes may be executed in parallel.

図4を参照して、ステップS1において、モデルパラメータ130に基づいてナノ複合体の初期条件が設定される。ステップS2において、接合ナノ物質のフォノンまたは弾性振動の共振周波数を解析するための解析条件133および解析パラメータ134がCPU120に入力される。ステップS3において、共振周波数解析プログラム132に従って、接合ナノ物質の共振周波数が算出される。ステップS4において、ステップS3の処理によって算出された共振周波数およびモデルパラメータに基づいて、接合ナノ物質の特定の振動状態(所定の振動モード)が振動外場によって励振された状態、すなわちセグメント1,2間の相対距離dがd=a+bcosΩtの関係式に従って時間的に変化する状態が模擬される。 Referring to FIG. 4, in step S <b> 1, initial conditions for the nanocomposite are set based on model parameter 130. In step S <b> 2, an analysis condition 133 and an analysis parameter 134 for analyzing the resonance frequency of the phonon or elastic vibration of the bonded nanomaterial are input to the CPU 120. In step S <b> 3, the resonance frequency of the bonded nanomaterial is calculated according to the resonance frequency analysis program 132. In step S4, based on the resonance frequency and model parameters calculated by the process in step S3, a specific vibration state (predetermined vibration mode) of the bonded nanomaterial is excited by the vibration external field, that is, segments 1 and 2 A state in which the relative distance d between them varies with time in accordance with the relational expression of d = a 0 + b cos Ωt is simulated.

接合ナノ物質の共振周波数が文献等によって既知である場合には、ステップS3の処理が不要となる。この場合には、共振周波数Ωの既知の値をモデルパラメータ130に予め含めればよい。   When the resonance frequency of the bonded nanomaterial is known from literatures, the process of step S3 is not necessary. In this case, a known value of the resonance frequency Ω may be included in the model parameter 130 in advance.

ステップS5において、評価プログラム131に従ってセグメント2の分極Pの絶対値の時間平均(|P|)が算出される。なお、複数の振幅bの各々に対して|P|が算出されてもよい。この場合、たとえば、ステップS5において|P|が算出された後に、処理がステップS4に戻されるとともに、振幅bが変化される。複数の振幅bのすべてに対して|P|が算出された後に、処理はステップS6に進む。 In step S5, the time average (| P 2 |) of the absolute value of the polarization P 2 of the segment 2 is calculated according to the evaluation program 131. Note that | P 2 | may be calculated for each of the plurality of amplitudes b. In this case, for example, after | P 2 | is calculated in step S5, the process returns to step S4, and the amplitude b is changed. After | P 2 | is calculated for all of the plurality of amplitudes b, the process proceeds to step S6.

ステップS6において、分極|P|(分極Pの絶対値の時間平均)に基づいて、セグメント1からセグメント2への光エネルギーの伝達効率が評価される。 In step S6, the transmission efficiency of light energy from the segment 1 to the segment 2 is evaluated based on the polarization | P 2 | (time average of absolute values of the polarization P 2 ).

1つの例では、|P|の極大値が複数のレベル(たとえば3つのレベル)と比較される。これにより、光エネルギーの伝達効率のレベル(たとえば「高レベル」「中レベル」および「低レベル」のいずれかのレベル)が評価される。別の例では、|P|の極大値に対応する光周波数と振幅bとの関係が決定される。これにより、所望の伝達効率が得られるときにセグメント2から出力される光の周波数、およびそのときの接合ナノ物質の振幅を求めることができる。さらに別の例では、振幅bが一定である場合における、|P|の極大値に対応する光周波数が決定される。これにより、振幅bが一定である状態において光エネルギーがセグメント1からセグメント2に伝達されたときに、高い伝達効率を達成可能な光周波数(セグメント2から出力される光の周波数)を求めることができる。ステップS7において、評価結果が出力される。ステップS7の処理が終了すると全体の処理が終了する。 In one example, the maximum value of | P 2 | is compared to multiple levels (eg, three levels). Thereby, the level of the transmission efficiency of light energy (for example, one of “high level”, “medium level”, and “low level”) is evaluated. In another example, the relationship between the optical frequency corresponding to the maximum value of | P 2 | and the amplitude b is determined. Thereby, the frequency of the light output from the segment 2 when a desired transmission efficiency is obtained, and the amplitude of the junction nanomaterial at that time can be obtained. In yet another example, the optical frequency corresponding to the maximum value of | P 2 | when the amplitude b is constant is determined. Thereby, when the optical energy is transmitted from the segment 1 to the segment 2 in a state where the amplitude b is constant, an optical frequency (frequency of light output from the segment 2) that can achieve high transmission efficiency is obtained. it can. In step S7, the evaluation result is output. When the process of step S7 ends, the entire process ends.

図5は、本発明の実施の形態に係る評価方法に用いられるナノ構造体の一例を説明する図である。図5を参照して、ナノ構造体10は、2つのポルフィリン分子を連結することで構成される。接合ナノ物質3は、ナノ構造体10の中心部分に対応する。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a nanostructure used in the evaluation method according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, nanostructure 10 is configured by connecting two porphyrin molecules. The bonded nanomaterial 3 corresponds to the central portion of the nanostructure 10.

上記ステップS3の処理により、ナノ構造体10の中心部分がよく伸縮する振動モードの振動数、すなわち接合ナノ物質3のフォノンの固有振動数は、30.08(THz)と求められる。すなわち接合ナノ物質3の特定の振動モードを励振させる振動外場は赤外線(テラヘルツ波を含む)である。なお、固有振動数の計算において、E,E,Eには、6−31Gを用い、EXCにはB3LYPを用いた。(上記の伸縮モードよりは振動子強度が小さいものの、テラヘルツ領域にあたる1.42132(THz)にも伸縮モードが存在することを、さらに高精度の6−31G+(d)を用いた計算で確認している。) By the process of step S3, the frequency of the vibration mode in which the central portion of the nanostructure 10 is expanded and contracted, that is, the natural frequency of the phonon of the bonded nanomaterial 3 is determined to be 30.08 (THz). That is, the vibration external field that excites a specific vibration mode of the bonding nanomaterial 3 is infrared rays (including terahertz waves). Incidentally, in the calculation of the natural frequencies, E T, E V, the E J, using 6-31G, using B3LYP the E XC. (Although the oscillator strength is smaller than the above expansion / contraction mode, it is confirmed by calculation using 6-31G + (d) with higher accuracy that the expansion / contraction mode exists also in 1.42132 (THz) corresponding to the terahertz region. ing.)

さらに、ステップS4,S5の処理により、セグメント2の分極Pの絶対値の時間平均の光エネルギースペクトルが算出される。この計算に用いられるモデルパラメータを以下に説明する。セグメント1,2の半径aは1.0(nm)である。図1のモデルによればセグメント1,2は球体であるので、セグメント1,2の体積Vは、4πa /3となる。さらに、光から光以外の散逸を表わす緩和定数γは0.1(meV)である。すなわち初期条件では、ナノ構造体10の周囲温度は低温である。さらに、セグメント1,2の電子系の共鳴エネルギーEel=h/2π×ωelを2.84(eV)とし、双極子モーメントD=8(D)とした。 Further, the time average light energy spectrum of the absolute value of the polarization P 2 of the segment 2 is calculated by the processes of steps S4 and S5. The model parameters used for this calculation will be described below. The radii aj of the segments 1 and 2 are 1.0 (nm). Since the segments 1 and 2 is a sphere, according to the model of Figure 1, the volume V j of segments 1 and 2, the 4πa j 3/3. Furthermore, the relaxation constant γ representing the dissipation of light other than light is 0.1 (meV). That is, under the initial conditions, the ambient temperature of the nanostructure 10 is low. Furthermore, the resonance energy E el = h / 2π × ω el of the electron systems of segments 1 and 2 was set to 2.84 (eV), and the dipole moment D = 8 (D).

図6は、接合ナノ物質3が伸縮していない状態におけるセグメント2の分極の絶対値の時間平均を示した図である。接合ナノ物質3が伸縮していない状態においてd=aである。 FIG. 6 is a diagram showing the time average of the absolute value of the polarization of the segment 2 in a state where the bonded nanomaterial 3 is not expanded or contracted. In the state in which the bonding nanomaterial 3 is not expanded or contracted, d = a 0 .

図6を参照して、相対距離dが2.5(nm)の場合、2.9(nm)の場合および3.3(nm)の場合のいずれにおいても、光エネルギースペクトルには2つのピークが生じる。セグメント1,2間の距離dが小さくなるほど、2つのピークの間の間隔が大きくなる。一方、セグメント1,2間の距離dが大きくなるほど、2つのピーク間の間隔が小さくなる。接合ナノ物質3が伸縮していない状態では、2つのセグメントの間の距離を大きくするほど、セグメント1,2の各々を独立した1つの粒子に近似することができる。このため、dを大きくするほど2つのピークの間の間隔が小さくなる。   Referring to FIG. 6, when the relative distance d is 2.5 (nm), the light energy spectrum has two peaks in both cases of 2.9 (nm) and 3.3 (nm). Occurs. As the distance d between the segments 1 and 2 decreases, the distance between the two peaks increases. On the other hand, as the distance d between the segments 1 and 2 increases, the interval between the two peaks decreases. In a state where the bonded nanomaterial 3 is not expanded or contracted, each of the segments 1 and 2 can be approximated to an independent particle as the distance between the two segments is increased. For this reason, the distance between two peaks becomes smaller as d is increased.

図7は、接合ナノ物質3が伸縮する状態におけるセグメント2の分極の絶対値の時間平均を示した図である。なお、時間平均の範囲を0〜0.1(nsec)とした。また、a=2.9(nm)とし、振幅bを0.1(nm)、0.3(nm)、0.5(nm)、0.7(nm)の間で変化させた。 FIG. 7 is a diagram showing the time average of the absolute value of the polarization of the segment 2 in a state where the bonded nanomaterial 3 expands and contracts. The time average range was set to 0 to 0.1 (nsec). Further, a 0 = 2.9 (nm) and the amplitude b was changed between 0.1 (nm), 0.3 (nm), 0.5 (nm), and 0.7 (nm).

図7を参照して、振幅bが小さな場合には分極|P|の極大値が見られない光周波数領域において、振幅bを大きくすることにより分極|P|の極大値が現れる。このことは、上記の光周波数領域において、振幅bを大きくすることにより、セグメント1からセグメント2への光エネルギー移動が可能となる(すなわち光エネルギーの伝達効率が向上する)ことを示している。たとえば2.99(eV)よりも低いエネルギーの領域において、bを大きくするにつれて分極|P|の極大値が生じる。同じように、3.02(eV)よりも高いエネルギー領域においても、bを大きくすることによって、分極|P|の極大値が生じる。このように分極|P|の極大値の大きさを評価することによって、エネルギーの伝達効率を評価することができる。 Referring to FIG. 7, when amplitude b is small, the maximum value of polarization | P 2 | appears by increasing amplitude b in the optical frequency region where the maximum value of polarization | P 2 | is not observed. This indicates that, in the optical frequency region, the optical energy can be transferred from the segment 1 to the segment 2 by increasing the amplitude b (that is, the transmission efficiency of the optical energy is improved). For example, in the energy region lower than 2.99 (eV), the maximum value of polarization | P 2 | occurs as b is increased. Similarly, even in an energy region higher than 3.02 (eV), by increasing b, a maximum value of polarization | P 2 | occurs. Thus, by evaluating the maximum value of the polarization | P 2 |, the energy transfer efficiency can be evaluated.

2.99(eV)よりも低エネルギー側の領域では、bを大きくすることで分極|P|の極大値に対応するエネルギー(光周波数)の値が小さくなる。逆に3.02(eV)よりも高エネルギー側の領域では、bを大きくすることで分極|P|の極大値に対応するエネルギー(光周波数)の値が大きくなる。このことは、光エネルギーの効率的な移動が生じる光周波数をbの値によって制御できることを示す。このように|P|の極大値に対応する光周波数と振幅bとの関係が決定されることで、所望の伝達効率を得ることが可能な光周波数(セグメント2から出力される光の周波数)を評価することができる。 In a region on the lower energy side than 2.99 (eV), the value of energy (optical frequency) corresponding to the maximum value of polarization | P 2 | decreases by increasing b. Conversely, in a region on the higher energy side than 3.02 (eV), increasing b increases the value of energy (optical frequency) corresponding to the maximum value of polarization | P 2 |. This indicates that the optical frequency at which efficient transfer of light energy occurs can be controlled by the value of b. Thus, by determining the relationship between the optical frequency corresponding to the maximum value of | P 2 | and the amplitude b, the optical frequency (frequency of light output from the segment 2) at which a desired transmission efficiency can be obtained. ) Can be evaluated.

上記のようにセグメント1,2間の相対距離dはcosΩtに従って変化する。このため、セグメント2の速度は、セグメント2がセグメント1に最も近づいた場合(d=a−b)およびセグメント2がセグメント1から最も遠ざかった場合(d=a+b)において最も小さくなる。すなわちd=a−bおよびd=a+bにおいてセグメント2の滞在時間が長くなる。このため、それによってピークの分裂が明瞭に生じるようになる。 As described above, the relative distance d between the segments 1 and 2 varies according to cos Ωt. Therefore, the speed of segment 2 is the smallest when segment 2 is closest to segment 1 (d = a 0 −b) and when segment 2 is furthest away from segment 1 (d = a 0 + b). That is, the dwell time of the segment 2 becomes longer at d = a 0 −b and d = a 0 + b. For this reason, the peak splitting clearly occurs.

図7は、振幅bが大きいほど2つのピークの間の間隔が広がることを示している。セグメント2がセグメント1に近づくときにはセグメント1,2間の距離がより小さくなる一方、セグメント2がセグメント1から遠ざかるときにはセグメント1,2間の距離がより大きくなる。セグメント1,2間の距離がより小さくなるので、外側のピークは、より離れる。その一方で、セグメント1,2間の距離がより大きくなるので、内側のピークの差が小さくなる。すなわちセグメント1,2の各々が1粒子に近づく。これによりカバーできる周波数領域を広げることができる。   FIG. 7 shows that the larger the amplitude b, the wider the interval between the two peaks. When the segment 2 approaches the segment 1, the distance between the segments 1 and 2 becomes smaller, while when the segment 2 moves away from the segment 1, the distance between the segments 1 and 2 becomes larger. Since the distance between segments 1 and 2 is smaller, the outer peak is further away. On the other hand, since the distance between the segments 1 and 2 becomes larger, the difference between the inner peaks becomes smaller. That is, each of the segments 1 and 2 approaches one particle. As a result, the frequency range that can be covered can be expanded.

スペクトルがブロードになることで、セグメント1の吸収スペクトルと、セグメント1からセグメント2にエネルギーが移動するときの緩和スペクトルとがオーバーラップする。これによってエネルギーの移動が効率よく行なわれる。   As the spectrum becomes broad, the absorption spectrum of segment 1 and the relaxation spectrum when energy is transferred from segment 1 to segment 2 overlap. As a result, energy is efficiently transferred.

図8は、分極|P|の振幅bの依存性を示した図である。図8を参照して、振幅bの最適値、すなわち最も効率よく光エネルギーがセグメント1からセグメント2に伝達されるときの振幅bの値は光エネルギー(周波数)に依存する。図8に示した光エネルギーの値は、光スペクトルにおける分極|P|の極大値に対応するエネルギーの値である(図7を参照)。 FIG. 8 is a diagram showing the dependence of the polarization | P 2 | on the amplitude b. Referring to FIG. 8, the optimum value of amplitude b, that is, the value of amplitude b when light energy is most efficiently transmitted from segment 1 to segment 2, depends on the light energy (frequency). The light energy value shown in FIG. 8 is the energy value corresponding to the maximum value of polarization | P 2 | in the light spectrum (see FIG. 7).

図8は、分極|P|の極大値が得られる振幅bの値が光の周波数に依存することを示す。このことは、セグメント1に入射する光の周波数に基づいて振幅bを制御することにより、分極|P|の極大値が得られることを示す。すなわち図8はセグメント1に入射する光の周波数に基づいて振幅bを制御することにより、セグメント1,2間において光エネルギーの伝達効率を制御できることを示す。一方、振幅bが固定されている場合には、一種の波長可変のエネルギー移動を行なうことができる。振幅bは、振動外場の強度によって制御される。したがって図7および図8は、振動外場の強度を制御することにより、セグメント1,2間における光エネルギーの伝達効率を制御できることを示している。 FIG. 8 shows that the value of the amplitude b at which the maximum value of the polarization | P 2 | is obtained depends on the frequency of light. This indicates that the maximum value of polarization | P 2 | can be obtained by controlling the amplitude b based on the frequency of light incident on the segment 1. That is, FIG. 8 shows that the transmission efficiency of light energy can be controlled between the segments 1 and 2 by controlling the amplitude b based on the frequency of light incident on the segment 1. On the other hand, when the amplitude b is fixed, a kind of wavelength-variable energy transfer can be performed. The amplitude b is controlled by the intensity of the vibration external field. 7 and 8 show that the transmission efficiency of light energy between the segments 1 and 2 can be controlled by controlling the intensity of the vibration external field.

図9は、セグメント2の分極の増強率のスペクトルを示した図である。増強率とは、b=0.1(nm)の場合における分極|P|のスペクトル強度に対する、振幅bの各値(0.1以外の値)での分極|P|のスペクトル強度の比である。図9には、b=0.3(nm)、b=0.5(nm)、およびb=0.7(nm)の各場合における増強率が示される。図9において、振幅bが大きくなるほど増強率のピーク値が大きくなることが示される。このことは、光エネルギーの伝達効率が振幅bに依存すること、より具体的には、振幅bが大きくなるほど光エネルギーの伝達効率が上がることを示している。 FIG. 9 is a diagram showing a spectrum of the polarization enhancement rate of the segment 2. And enhancement factor, polarization in the case of b = 0.1 (nm) | for spectral intensity, polarization at each value (a value other than 0.1) of the amplitude b | | P 2 of the spectral intensity | P 2 Is the ratio. FIG. 9 shows the enhancement factor in each case of b = 0.3 (nm), b = 0.5 (nm), and b = 0.7 (nm). FIG. 9 shows that the peak value of the enhancement rate increases as the amplitude b increases. This indicates that the transmission efficiency of light energy depends on the amplitude b, and more specifically, the transmission efficiency of light energy increases as the amplitude b increases.

なお、本実施の形態によれば、この増強率を用いて、光エネルギーの伝達効率を評価す
ることも可能である。たとえば増強率を複数のレベルによって評価してもよい。たとえば増強率を複数のレベル(たとえば3つのレベル)と比較することにより、光エネルギーの伝達効率を評価してもよい(たとえば「高レベル」「中レベル」および「低レベル」のいずれかであると評価する)。あるいは、予め実験あるいは計算などにより求められた増強率の値と伝達効率との関係に従って、|P|の値から光エネルギーの伝達効率が評価されてもよい。
According to the present embodiment, it is also possible to evaluate the transmission efficiency of light energy using this enhancement factor. For example, the enhancement rate may be evaluated by a plurality of levels. For example, the transmission efficiency of light energy may be evaluated by comparing the rate of enhancement with a plurality of levels (eg, three levels) (eg, one of “high level”, “medium level”, and “low level”) Evaluate). Alternatively, the transmission efficiency of light energy may be evaluated from the value of | P 2 | according to the relationship between the value of the enhancement factor obtained beforehand through experiments or calculations and the transmission efficiency.

<制御装置および方法>
図10は、本発明の実施の形態に係るナノ物質間の光エネルギーの伝達制御装置の概略的構成を示した図である。図10を参照して、制御装置200は、光源201と、基板固定部202と、検出部203と、振動外場発生部204と、制御部205とを備える。
<Control device and method>
FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic configuration of a light energy transmission control device between nanomaterials according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, control device 200 includes light source 201, substrate fixing unit 202, detection unit 203, vibration external field generation unit 204, and control unit 205.

光源201は、ナノ物質集団20に含まれるナノ物質(セグメント)に光誘起分極を生じさせる光を発生させる。ナノ物質集団20は、図1のモデルに示される基本構造を有する複数のナノ構造体を含む。各ナノ構造体は、基板4に固着した第1のナノ物質(セグメント1に相当)と、第2のナノ物質(セグメント2に相当)と、第1および第2のナノ物質を接合する接合ナノ物質とを備える。なお、複数の第1のナノ物質は基板4の表面に1次元あるいは2次元に配置されてもよい。   The light source 201 generates light that causes light-induced polarization in the nanomaterial (segment) included in the nanomaterial group 20. The nanomaterial population 20 includes a plurality of nanostructures having the basic structure shown in the model of FIG. Each nanostructure includes a first nanomaterial (corresponding to segment 1) fixed to the substrate 4, a second nanomaterial (corresponding to segment 2), and a bonded nanostructure that joins the first and second nanomaterials. A substance. The plurality of first nanomaterials may be arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the surface of the substrate 4.

光源201は、具体的にはレーザ光源である。光源201からのレーザ光はナノ物質に直接入射されてもよい。あるいは、図1のモデルによって説明されるように、基板4の表面で全反射条件が満たされるように光源201からのレーザ光が基板4に入射され、それにより基板4の表面でエバネッセント光を発生させてもよい。この場合には、基板4の表面に生じたエバネッセント光によって第1のナノ物質(セグメント1)に光誘起分極が生じる。   Specifically, the light source 201 is a laser light source. Laser light from the light source 201 may be directly incident on the nanomaterial. Alternatively, as illustrated by the model in FIG. 1, the laser light from the light source 201 is incident on the substrate 4 so that the total reflection condition is satisfied on the surface of the substrate 4, thereby generating evanescent light on the surface of the substrate 4. You may let them. In this case, light-induced polarization occurs in the first nanomaterial (segment 1) by the evanescent light generated on the surface of the substrate 4.

基板固定部202は、基板4を固定する。検出部203は、第1のナノ物質から第2のナノ物質に伝達された光エネルギーを検出する。検出部203は、たとえば受光素子であり、第2のナノ物質に伝達された光エネルギーを光の形態で受ける。検出部203の検出結果は制御部205に送られる。ただし検出部203の検出結果が、たとえば制御装置200以外の装置に送られてもよい。   The substrate fixing unit 202 fixes the substrate 4. The detection unit 203 detects light energy transmitted from the first nanomaterial to the second nanomaterial. The detection unit 203 is, for example, a light receiving element, and receives light energy transmitted to the second nanomaterial in the form of light. The detection result of the detection unit 203 is sent to the control unit 205. However, the detection result of the detection unit 203 may be sent to a device other than the control device 200, for example.

振動外場発生部204は、接合ナノ物質の特定の振動状態(所定の振動モード)を励振するための振動外場を生じさせる。ナノ物質集団20が、図5に示されるような2つのポルフィリン分子を連結することで構成されたナノ構造体の集合体である場合、振動外場発生部204としては、赤外線(テラヘルツ波を含む)を発生させる装置が用いられる。   The vibration external field generation unit 204 generates a vibration external field for exciting a specific vibration state (predetermined vibration mode) of the bonded nanomaterial. When the nanomaterial group 20 is an aggregate of nanostructures formed by connecting two porphyrin molecules as shown in FIG. 5, the vibration external field generation unit 204 includes infrared rays (including terahertz waves). ) Is used.

なお、赤外線は一般に、300GHz〜400THz(波長に換算すると0.7μm〜1mm)の周波数範囲の電磁波を指す。テラヘルツ波は、0.1THz〜10THzの周波数範囲の電磁波を指し、遠赤外線領域に含まれる。したがって本発明の実施の形態における赤外線の周波数は、300GHz〜400THzの範囲内にあるものとする。   In general, infrared rays refer to electromagnetic waves in a frequency range of 300 GHz to 400 THz (0.7 μm to 1 mm in terms of wavelength). The terahertz wave indicates an electromagnetic wave having a frequency range of 0.1 THz to 10 THz and is included in the far infrared region. Therefore, it is assumed that the infrared frequency in the embodiment of the present invention is in the range of 300 GHz to 400 THz.

本実施形態に記載されたような、フォノンの固有振動数Ωに近い30THz付近の周波数の電磁波は、たとえば9.4μmから10.6μmまでの範囲に主波長帯を有する炭酸ガスレーザ(CO2レーザ)によって発生される。上記波長範囲を周波数に換算すると2
8.3〜31.9THzの周波数帯となる。また、テラヘルツ波は、たとえば半導体多重量子井戸によって発生される。あるいは、テラヘルツ波は、2次非線形結晶に光パルスを照射することで発生される。2次非線形結晶に光パルスを照射することで、差周波が生じる。これによりテラヘルツ波を発生させることができる。具体的には、フェムト秒レーザ(たとえばチタンサファイアレーザ)によってパルス幅100fsの光パルスを用いた場
合、約10THzのテラヘルツ波パルスを発生させることができる。
An electromagnetic wave having a frequency near 30 THz, which is close to the natural frequency Ω of the phonon as described in the present embodiment, is a carbon dioxide laser (CO 2 laser) having a main wavelength band in the range from 9.4 μm to 10.6 μm, for example. Generated by. When the above wavelength range is converted to frequency, 2
The frequency band is 8.3 to 31.9 THz. The terahertz wave is generated by, for example, a semiconductor multiple quantum well. Alternatively, the terahertz wave is generated by irradiating the second-order nonlinear crystal with an optical pulse. By irradiating the second-order nonlinear crystal with a light pulse, a difference frequency is generated. Thereby, a terahertz wave can be generated. Specifically, when an optical pulse having a pulse width of 100 fs is used by a femtosecond laser (for example, a titanium sapphire laser), a terahertz wave pulse of about 10 THz can be generated.

制御部205は、光源201および振動外場発生部204を制御する。たとえば制御部205は、検出部203による検出結果に基づいて、振動外場発生部204によって発生される振動外場の強度(たとえばテラヘルツ波の強度)、あるいは、光源201のパワーを制御する。   The control unit 205 controls the light source 201 and the vibration external field generation unit 204. For example, the control unit 205 controls the intensity of the vibration external field (for example, the intensity of the terahertz wave) generated by the vibration external field generation unit 204 or the power of the light source 201 based on the detection result by the detection unit 203.

なお、基板4、ナノ物質集団20および基板固定部202は、冷却装置206によって冷却されてもよい。ナノ物質集団20を冷却することによって、接合ナノ物質に対する振動状態の熱による影響を小さくすることができ、光誘起分極のスペクトル上のピークの広がりを防ぐことができる。これにより、セグメント1およびセグメント2の光誘起分極の特定の振動状態を明瞭に観測することができる。冷却媒体には、たとえば液体窒素、液体ヘリウムを用いることができる。   The substrate 4, the nanomaterial group 20, and the substrate fixing unit 202 may be cooled by the cooling device 206. By cooling the nanomaterial group 20, the influence of the vibrational state on the bonded nanomaterial can be reduced, and the spread of the peak on the spectrum of the light-induced polarization can be prevented. Thereby, the specific vibration state of the light induced polarization of the segment 1 and the segment 2 can be clearly observed. For example, liquid nitrogen or liquid helium can be used as the cooling medium.

図11は、図10に示された制御装置200によるナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、主として制御部205が光源201および振動外場発生部204を制御することによって実行される。なお、本発明の実施の形態に係る制御方法は図11に示した順序に従って実行されるものと限定されない。たとえば処理の順序が適宜変更されてもよいし、複数の処理が並行して実行されてもよい。   FIG. 11 is a flowchart for explaining a method of controlling light energy transfer between nanomaterials by the control device 200 shown in FIG. The processing of this flowchart is executed mainly by the control unit 205 controlling the light source 201 and the vibration external field generation unit 204. It should be noted that the control method according to the embodiment of the present invention is not limited to being executed in the order shown in FIG. For example, the order of the processes may be changed as appropriate, and a plurality of processes may be executed in parallel.

図11を参照して、ステップS10において、ナノ物質集団20が準備される。なお、ステップS10において、ナノ物質集団20が冷却されてもよい。   Referring to FIG. 11, in step S10, a nanomaterial population 20 is prepared. In step S10, the nanomaterial group 20 may be cooled.

ステップS11において、光源201は光をナノ物質集団20に照射する。ステップS12において、振動外場発生部204は、振動外場(たとえば赤外線(テラヘルツ波を含む))を発生させる。ステップS13において、検出部203は、ナノ物質集団20を伝達した光エネルギーを検出する。ステップS14において、制御部205は、検出部203の検出結果に基づいて振動外場を調整する。たとえば、制御部205は、検出部203の検出結果が一定となるように、振動外場の強度を調整する。振動外場の強度を調整することによって、振幅bが変化する。これにより、光エネルギーの伝達効率が制御される。したがって検出部203の検出結果を一定に保つことができる。   In step S <b> 11, the light source 201 irradiates the nanomaterial group 20 with light. In step S12, the vibration external field generation unit 204 generates a vibration external field (for example, infrared rays (including terahertz waves)). In step S <b> 13, the detection unit 203 detects the light energy transmitted through the nanomaterial group 20. In step S <b> 14, the control unit 205 adjusts the vibration external field based on the detection result of the detection unit 203. For example, the control unit 205 adjusts the intensity of the vibration external field so that the detection result of the detection unit 203 becomes constant. By adjusting the intensity of the vibration external field, the amplitude b changes. Thereby, the transmission efficiency of light energy is controlled. Therefore, the detection result of the detection unit 203 can be kept constant.

図12は、図10に示された制御装置200によるナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法の他の例を説明するためのフローチャートである。図12を参照して、このフローチャートの処理によれば、ステップS12Aにおいて、ナノ物質集団20(特に基板4に固定された第1のナノ物質)に入射される光の周波数に基づいて振動外場の強度が決定される。たとえば光エネルギーの伝達効率が最も良くなるように振動外場の強度と光の周波数との間の関係が求められるとともに、その関係が制御部205に予め記憶される。これによりステップS12Aの処理が実行可能である。なお、ステップS10,S11の各々の処理は図11に示した対応するステップの処理と同じであるので、以後の詳細な説明は繰り返さない。   FIG. 12 is a flowchart for explaining another example of the light energy transfer control method between nanomaterials by the control device 200 shown in FIG. Referring to FIG. 12, according to the process of this flowchart, in step S12A, a vibration external field is generated based on the frequency of light incident on nanomaterial group 20 (particularly, the first nanomaterial fixed to substrate 4). The intensity of is determined. For example, a relationship between the intensity of the vibration external field and the light frequency is obtained so that the transmission efficiency of light energy is the best, and the relationship is stored in the control unit 205 in advance. Thereby, the process of step S12A can be executed. Since each process of steps S10 and S11 is the same as the process of the corresponding step shown in FIG. 11, detailed description thereof will not be repeated.

以上のように、本発明の実施の形態に係る制御装置によれば、光応答性ナノ物質間を伝達する光エネルギーの伝達効率を振動外場によって制御できる。   As described above, according to the control device according to the embodiment of the present invention, the transmission efficiency of the light energy transmitted between the photoresponsive nanomaterials can be controlled by the vibration external field.

<応用例>
図13は、本発明の応用例を示した図である。図13を参照して、センサ250は、振動外場発生部204を備えていない点において図10に示した制御装置200と異なる。
<Application example>
FIG. 13 is a diagram showing an application example of the present invention. Referring to FIG. 13, sensor 250 is different from control device 200 shown in FIG. 10 in that it does not include vibration external field generation unit 204.

センサ250は、振動外場がナノ複合体に照射されることによる、光応答性ナノ物質間の光の波長が伝達する間における波長の変化を利用して振動外場を検出する。具体的には、基板4側に予め光を入射する。振動外場が生じた場合には検出部203側に光エネルギーが伝達される。したがって、検出部203による光エネルギーの検出結果に基づいて振動外場を検出できる。   The sensor 250 detects the vibration external field by using the change in wavelength during the transmission of the wavelength of light between the photoresponsive nanomaterials by the irradiation of the nanocomposite with the vibration external field. Specifically, light is incident on the substrate 4 side in advance. When an external vibration field is generated, light energy is transmitted to the detection unit 203 side. Therefore, the vibration external field can be detected based on the detection result of the light energy by the detection unit 203.

特に、上記のような2つのポルフィリン分子が連結された構造を有するナノ複合体を用いた場合には、センサ250を赤外線(テラヘルツ波を含む)の検出器として用いることができる。テラヘルツ波の検出器として数十μm(たとえば30μm)のサイズの構造体が提案されている(Ultra-Broadband Terahertz Wave Detection Using Photoconductive
Antenna, Masaaki ASHIDA, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 10, 2008, pp. 8221-8225を参照)。本発明の実施の形態によれば、テラヘルツ波を検出する
素子の基本構造のサイズを100nm以下に抑えることが期待できる。
In particular, when a nanocomposite having a structure in which two porphyrin molecules are linked as described above, the sensor 250 can be used as an infrared (including terahertz wave) detector. A structure having a size of several tens of μm (for example, 30 μm) has been proposed as a terahertz wave detector (Ultra-Broadband Terahertz Wave Detection Using Photoconductive
Antenna, Masaaki ASHIDA, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 10, 2008, pp. 8221-8225). According to the embodiment of the present invention, it can be expected that the size of the basic structure of the element that detects terahertz waves is suppressed to 100 nm or less.

また、本発明は、接合ナノ物質の力学的性質を解析するための装置として適用することができる。たとえば接合ナノ物質のバネ定数が未知である場合、振動外場によって接合ナノ物質の特定の振動状態を励振させる。このときに得られる光スペクトルの変化を接合ナノ物質の力学的性質、たとえば接合ナノ物質のばね定数の解析に用いることができる。   The present invention can also be applied as an apparatus for analyzing the mechanical properties of bonded nanomaterials. For example, when the spring constant of the bonded nanomaterial is unknown, a specific vibration state of the bonded nanomaterial is excited by the vibration external field. The change in the optical spectrum obtained at this time can be used to analyze the mechanical properties of the bonded nanomaterial, for example, the spring constant of the bonded nanomaterial.

なお、振動外場は、接合ナノ物質の特定の振動状態(フォノン)あるいは弾性振動を励振するものであればよい。したがって、振動外場は、テラヘルツ波を含む赤外線に限定されず、ミリ波、サブミリ波、音波などであってもよい。   In addition, the vibration external field should just excite the specific vibration state (phonon) or elastic vibration of joining nanomaterial. Therefore, the vibration external field is not limited to infrared rays including terahertz waves, and may be millimeter waves, submillimeter waves, sound waves, and the like.

また、図1のモデルは、本発明に適用可能なナノ複合体の最も基本的な構造を示している。しかしながら本発明に適用可能なナノ複合体の構造は図1に示された構造に限定されるものではない。たとえば、1つの光応答性ナノ物質の周囲に複数の光応答性ナノ物質が放射状に配置されるとともに、当該複数の光応答性ナノ物質が接合ナノ物質によって中心の光応答性ナノ物質に接続された構成を有するナノ複合体も本発明に適用可能である。また、ナノ複合体は層状の物質であってもよい。   The model in FIG. 1 shows the most basic structure of a nanocomposite applicable to the present invention. However, the structure of the nanocomposite applicable to the present invention is not limited to the structure shown in FIG. For example, a plurality of photoresponsive nanomaterials are arranged radially around one photoresponsive nanomaterial, and the plurality of photoresponsive nanomaterials are connected to a central photoresponsive nanomaterial by a bonding nanomaterial. A nanocomposite having the above structure is also applicable to the present invention. The nanocomposite may be a layered substance.

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、光エネルギーの光応答性ナノ物質間の伝達を制御するための装置および方法に適用可能である。さらに本発明は、光応答性ナノ物質間の伝達する光電磁波の波長を制御する装置および方法に適用可能である。たとえば、光スイッチング装置、あるいは光フィルターとして本発明を利用することができる。   The present invention is applicable to devices and methods for controlling the transfer of light energy between photoresponsive nanomaterials. Furthermore, the present invention is applicable to an apparatus and method for controlling the wavelength of a light electromagnetic wave transmitted between photoresponsive nanomaterials. For example, the present invention can be used as an optical switching device or an optical filter.

さらに本発明は、光応答性ナノ物質間の光エネルギーの伝達効率に基づいて振動外場を検出するための装置および方法に適用可能である。   Furthermore, the present invention is applicable to an apparatus and method for detecting an external vibration field based on the transmission efficiency of light energy between photoresponsive nanomaterials.

1,2 ナノ物質(セグメント)、3 接合ナノ物質、4 基板、5,203 検出部、6 光、7 振動外場、10,20 ナノ構造体、100 コンピュータ、101 コンピュータ本体、102 バス、103 フレキシブルディスクドライブ、104 光ディスクドライブ、105 通信インターフェイス、106 モニタ、107 キーボード、108 マウス、114 CD−ROM、121 メモリ、122 ハードディスク、130 モデルパラメータ、131 評価プログラム、132 共振周波数解析プログラ
ム、133 解析条件、134 解析パラメータ、135 評価結果、150 共振周波数解析部、160 伝達効率解析部、162 振動状態模擬部、164 初期条件設定部、166 分極算出部、168 評価部、170 解析制御部、200 制御装置、201 光源、202 基板固定部、204 振動外場発生部、205 制御部、206 冷却装置、250 センサ、S1〜S14,S12A ステップ。
1, 2 Nanomaterial (segment), 3 Junction nanomaterial, 4 Substrate, 5,203 Detector, 6 Light, 7 Vibration external field, 10,20 Nanostructure, 100 Computer, 101 Computer body, 102 Bus, 103 Flexible Disk drive, 104 Optical disk drive, 105 Communication interface, 106 Monitor, 107 Keyboard, 108 Mouse, 114 CD-ROM, 121 Memory, 122 Hard disk, 130 Model parameter, 131 Evaluation program, 132 Resonance frequency analysis program, 133 Analysis condition, 134 Analysis parameter, 135 evaluation result, 150 resonance frequency analysis unit, 160 transmission efficiency analysis unit, 162 vibration state simulation unit, 164 initial condition setting unit, 166 polarization calculation unit, 168 evaluation unit, 170 analysis control unit, 200 control device , 201 light source, 202 a substrate fixing portion, 204 vibration out field generation unit, 205 control unit, 206 a cooling apparatus, 250 sensors, S1 to S14, S12A step.

Claims (20)

各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、前記第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体を準備するステップと、
前記第1のナノ物質に光を照射するステップと、
振動外場によって、前記接合ナノ物質の所定の振動モードを励振するステップと、
前記振動外場の強度を制御することにより、前記第1のナノ物質から前記第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を制御するステップとを備える、ナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法。
Providing a nanostructure comprising first and second nanomaterials each having photoresponsiveness, and joining nanomaterials that connect the first and second nanomaterials and have elasticity;
Irradiating the first nanomaterial with light;
Exciting a predetermined vibration mode of the bonded nanomaterial with a vibrating external field;
Controlling the transmission efficiency of light energy from the first nanomaterial to the second nanomaterial by controlling the intensity of the vibration external field.
前記制御するステップは、
前記第2のナノ物質に伝達された光の強度および周波数に基づいて、前記振動外場の強度を変化させるステップを含む、請求項1に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法。
The controlling step includes
2. The method of controlling light energy transfer between nanomaterials according to claim 1, comprising changing the intensity of the vibration external field based on the intensity and frequency of light transmitted to the second nanomaterial.
前記第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定され、
前記光は、前記基板の表面の近傍に生じたエバネッセント光である、請求項1に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法。
The first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate;
The method of controlling light energy transfer between nanomaterials according to claim 1, wherein the light is evanescent light generated in the vicinity of the surface of the substrate.
前記ナノ構造体は、有機分子であり、
前記振動外場は、赤外線である、請求項1に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達制御方法。
The nanostructure is an organic molecule,
The method of controlling light energy transfer between nanomaterials according to claim 1, wherein the vibration external field is infrared light.
各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、前記第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体に含まれる、前記第1のナノ物質に、光を照射する光源と、
前記接合ナノ物質の所定の振動モードを励振するための振動外場を発生させる振動外場発生部と、
前記振動外場の強度を制御することにより、前記第1のナノ物質から前記第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を制御する制御部とを備える、ナノ物質間の光エネルギー伝達制御装置。
Each of the first and second nanomaterials having photoresponsiveness, and the first nanostructure includes a joining nanomaterial that connects the first and second nanomaterials and has elasticity. A light source that irradiates the nanomaterial with light,
A vibration external field generator for generating a vibration external field for exciting a predetermined vibration mode of the bonding nanomaterial;
An optical energy transfer control device between nanomaterials, comprising: a control unit that controls the transmission efficiency of light energy from the first nanomaterial to the second nanomaterial by controlling the intensity of the vibration external field .
前記制御部は、前記第2のナノ物質に伝達された光の強度および周波数に基づいて、前記振動外場の強度を変化させる、請求項5に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達制御装置。   6. The optical energy transfer control device between nanomaterials according to claim 5, wherein the control unit changes the intensity of the vibration external field based on the intensity and frequency of light transmitted to the second nanomaterial. 前記第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定され、
前記光源は、エバネッセント光を前記基板の表面の近傍に生じさせる、請求項5に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達制御装置。
The first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate;
The optical energy transfer control device between nanomaterials according to claim 5, wherein the light source generates evanescent light in the vicinity of the surface of the substrate.
前記ナノ構造体は、有機分子であり、
前記振動外場は、赤外線である、請求項5に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達制御装置。
The nanostructure is an organic molecule,
The optical energy transfer control device between nanomaterials according to claim 5, wherein the vibration external field is infrared rays.
各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、前記第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体のモデルの初期条件を設定するステップと、
前記接合ナノ物質の所定の振動モードが振動外場によって励振された状態を模擬するステップと、
前記第1のナノ物質に光が照射されたことによって生じる前記第2のナノ物質の分極を算出するステップと、
前記分極に基づいて、前記第1のナノ物質から前記第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を評価するステップとを備える、ナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価方法。
An initial condition of a model of a nanostructure including first and second nanomaterials each having photoresponsiveness and a bonded nanomaterial that connects the first and second nanomaterials and has elasticity is set. And steps to
Simulating a state in which a predetermined vibration mode of the bonding nanomaterial is excited by an external vibration field;
Calculating the polarization of the second nanomaterial caused by irradiating the first nanomaterial with light;
Evaluating the light energy transfer efficiency from the first nanomaterial to the second nanomaterial based on the polarization, and evaluating the light energy transfer efficiency between the nanomaterials.
前記評価するステップは、
前記分極の絶対値の時間平均の極大値に基づいて、前記伝達効率を評価するステップを含む、請求項9に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価方法。
The step of evaluating comprises
The method for evaluating light energy transfer efficiency between nanomaterials according to claim 9, comprising the step of evaluating the transfer efficiency based on a time average maximum value of the absolute value of the polarization.
前記模擬するステップは、前記接合ナノ物質の振幅を変更するステップを含み、
前記評価するステップは、
前記極大値に対応する前記光周波数と前記振幅との間の相関関係を決定するステップを含む、請求項10に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価方法。
The step of simulating includes changing the amplitude of the bonded nanomaterial;
The step of evaluating comprises
The method of evaluating light energy transfer efficiency between nanomaterials according to claim 10, comprising the step of determining a correlation between the optical frequency corresponding to the maximum value and the amplitude.
量子化学計算によって、前記所定の振動モードに対応する前記接合ナノ物質の共振周波数を算出するステップをさらに備える、請求項9に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価方法。   The method of evaluating light energy transfer efficiency between nanomaterials according to claim 9, further comprising a step of calculating a resonance frequency of the bonded nanomaterial corresponding to the predetermined vibration mode by quantum chemical calculation. 前記第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定され、
前記第1のナノ物質に照射される光は、前記基板の表面の近傍に生じたエバネッセント光である、請求項9に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価方法。
The first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate;
The light energy transfer efficiency evaluation method between nanomaterials according to claim 9, wherein the light irradiated to the first nanomaterial is evanescent light generated in the vicinity of the surface of the substrate.
前記ナノ構造体は、有機分子であり、
前記振動外場は、赤外線である、請求項9に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価方法。
The nanostructure is an organic molecule,
The method according to claim 9, wherein the vibration external field is infrared light.
各々が光応答性を有する第1および第2のナノ物質と、前記第1および第2のナノ物質を接続するとともに伸縮性を有する接合ナノ物質とを含むナノ構造体のモデルの初期条件を設定する初期条件設定部と、
前記接合ナノ物質の所定の振動モードが振動外場によって励振された状態を模擬する模擬部と、
前記第1のナノ物質に光が照射されたことによって生じる前記第2のナノ物質の分極を算出する分極算出部と、
前記分極に基づいて、前記第1のナノ物質から前記第2のナノ物質への光エネルギーの伝達効率を評価する評価部とを備える、ナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価装置。
An initial condition of a model of a nanostructure including first and second nanomaterials each having photoresponsiveness and a bonded nanomaterial that connects the first and second nanomaterials and has elasticity is set. An initial condition setting section to
A simulation unit that simulates a state in which a predetermined vibration mode of the bonding nanomaterial is excited by an external vibration field;
A polarization calculating unit that calculates the polarization of the second nanomaterial generated by irradiating the first nanomaterial with light;
An optical energy transfer efficiency evaluation apparatus between nanomaterials, comprising: an evaluation unit that evaluates the transfer efficiency of light energy from the first nanomaterial to the second nanomaterial based on the polarization.
前記評価部は、前記分極の絶対値の時間平均の極大値に基づいて、前記伝達効率を評価する、請求項15に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価装置。   The said evaluation part is a light energy transfer efficiency evaluation apparatus between the nanomaterials of Claim 15 which evaluates the said transfer efficiency based on the maximum value of the time average of the absolute value of the said polarization. 前記模擬部は、前記接合ナノ物質の振幅を変更し、
前記評価部は、前記極大値に対応する前記光周波数と前記振幅との間の相関関係を決定する、請求項16に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価装置。
The simulation unit changes the amplitude of the bonded nanomaterial,
The optical energy transfer efficiency evaluation device between nanomaterials according to claim 16, wherein the evaluation unit determines a correlation between the optical frequency corresponding to the maximum value and the amplitude.
量子化学計算によって、前記所定の振動モードに対応する前記接合ナノ物質の共振周波数を算出する共振周波数解析部をさらに備える、請求項15に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価装置。   The optical energy transfer efficiency evaluation device between nanomaterials according to claim 15, further comprising a resonance frequency analysis unit that calculates a resonance frequency of the junction nanomaterial corresponding to the predetermined vibration mode by quantum chemical calculation. 前記第1のナノ物質は、光学的に透明な基板に固定され、
前記第1のナノ物質に照射される光は、前記基板の表面の近傍に生じたエバネッセント光である、請求項15に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価装置。
The first nanomaterial is fixed to an optically transparent substrate;
The light energy transfer efficiency evaluation apparatus between nanomaterials according to claim 15, wherein the light applied to the first nanomaterial is evanescent light generated in the vicinity of the surface of the substrate.
前記ナノ構造体は、有機分子であり、
前記振動外場は、赤外線である、請求項15に記載のナノ物質間の光エネルギー伝達効率評価装置。
The nanostructure is an organic molecule,
The apparatus for evaluating light energy transfer efficiency between nanomaterials according to claim 15, wherein the vibration external field is infrared rays.
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