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第175回 小さい光の大きなパワー 〜近接場光の可能性に迫る〜

 半導体の製造加工や素材開発などの分野で、ナノメートルオーダーの構造を制御する「ナノテクノロジー」の重要性は増しています。ところが、そのレベルの大きさの物質を観察したり、エネルギーを加えたりすることは簡単ではありません。そのための技術として広く活用されているのが、「近接場光」という、私たちが日常見ている光とは異なる性質を持つ光です。

近接場光ってそもそも何?
 直進している光が細い穴を通過する時を考えてください。その穴が、光の波長よりも、十分に大きければ、光はそのまま直進します。ところが、光の波長と穴の大きさが同じぐらいであれば、光を遮る壁の側に光が回り込む「回折」と呼ばれる現象が発生します。これは、光が波としての性質を持っていることから生じる現象です。

 光を通す穴を小さくしていくことで、光を小さな点に絞りこんでいくことができます。ところが、穴の大きさが光の波長程度(おおよそ数百ナノメートル)に近づいてくると、回折によって光が壁の向こう側に回り込むので、光は穴から広がって進むようになってしまいます。つまり、穴を通して光を絞り込んでいく方法では、光の波長程度よりも小さい光は作れないのです。

 では、さらに穴を小さくして、穴の大きさを光の波長よりも小さくするとどうなるでしょうか。実は、光は穴から出てこられなくなってしまうのです、その時に、穴の周辺に「しみ出している」のが、近接場光です。


 近接場光の存在は、マックスウェルの電磁方程式から予言されていました。光ファイバーの先を細く削っていくことで、近接場光を実際に作り出したのが、現・東京大学工学部教授の大津元一教授です。1980年頃から研究を開始し、1990年代前半に実現しました。

 また、近接場光は、小さい穴を通した時だけでなく、ナノサイズの小さな物質に光をあてた時にも発生します。たとえば、一見平面に見えるような物質の表面に、微小なナノサイズの凹凸があれば、そこにも近接場光は発生しているのです。


 整理すると、近接場光とは、「ナノサイズの微小な球や微小な穴に光が入射したとき、その表面の近辺、球や穴の半径程度の距離に発生する、空間を伝わらない光」のことをいいます。空間を伝わらないので、離れたところから観察することはできません。

「伝わらない光」をどうやって観測するの?
 近接場光は空間を伝わらないので、離れたところから光の存在を「見る」ことはできません。観測するためには、近接場光の届く範囲に微小な、ナノサイズの物質をプローブ(探針)として近づける必要があります。近接場光にナノサイズの物質を近づけることで、プローブにエネルギーが移動し、そのエネルギーに対応した光が発生します。


 つまり、近接場光を利用することで、「ナノサイズの微小な空間で、物質間のエネルギーの移動」が発生します。また、散乱光と異なり、近接場光には「回折」という現象がないので、光の波長よりも小さい、数ナノメートル〜数十ナノメートル程度の範囲に絞って、光をあてることができます。つまり、微小な光をあてたり、微小な領域にエネルギーを伝えることが可能になるのです。

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