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Research Results 研究成果

光応答性有機結晶による近赤外-可視波長変換と光スイッチングを実現

～極性結晶の光誘起“固―液”相転移を利用する光コンピューター要素技術～ 2020.12.23
研究成果Physics & ChemistryTechnology

九州大学大学院工学研究院の君塚信夫教授、永井邑樹大学院生、森川全章助教らは、光信号に応答する分子が反転対称性を持たない極性結晶＊1を自発的に形成し、かつ結晶中で光異性化＊2することにより結晶が液化すること、さらにこの光誘起“固―液”相転移現象を利用して光第二高調波発生を他波長光でスイッチする光論理ゲート機能を持つ分子システムの開発に成功しました。

π共役電子系を持つ有機分子は、分子設計の自由度が高く、無機結晶材料に比べて大きな非線形分極を示しうることから、SHG（Second Harmonic Generation:光第二高調波発生）＊3材料、さらに光コンピューター要素技術への応用が期待されています。有機分子がSHG特性を示すためには、分子が電気双極子を持ち、反転対称性をもたない極性結晶が得られることが必要です。ところが、ほとんどの有機分子結晶は対称中心を持ち、分子が一方向に配向した極性結晶が得られる例は極めて限られます。また、巨視的な異方性を有する極性結晶薄膜の作製技術や、光を用いてSHG特性をスイッチする光論理ゲート機能を持つ安定な有機SHG材料は得られていませんでした。

本研究では、溶液中で極性結晶を自発的に形成する化学的に安定な光応答性分子を見いだし、気―水界面で巨大な極性結晶薄膜を形成することや、固体結晶膜において近赤外光（1064 nm）を可視SHG光（532 nm）に変換するとともに、光誘起“固―液”相転移に基づき可逆的にon-offスイッチすることに成功しました。今後は光論理ゲートなど、光コンピューターの要素技術開発に貢献することが期待されます。

本研究成果は、2020年12月21日付でドイツの国際学術誌「Angewandte Chemie International Edition」にオンライン掲載されました。日本学術振興会科学研究費（JP20H05676, JP16H06513）、小笠原科学技術振興財団、積水化学「自然に学ぶものづくり」研究助成の支援により行われました。

 

研究者からひとこと
“
私たちが光誘起イオン結晶―イオン液体相転移現象を利用した高密度Molecular Solar Thermal Fuel（超分子光蓄熱）や、分子組織化フォトン・アップコンバージョンの開発等で培った分子組織化技術を、光コンピューティングの要素技術である光論理ゲート機能の発現に展開できました。引き続き、未来社会の課題解決に資する「分子システム化学」の開拓と展開を目指します。
”
 

■用語解説
＊1）極性結晶
アゾベンゼンの光異性化反転中心を持たず、分子が結晶中で非対称な分子配向をとる結果、自発的な分極を有している結晶のこと。多くの有機分子結晶においては、分子が電気双極子モーメントを打ち消すように配列した“反転対称”を有する構造を与えるが、今回の化合物１のように分子が結晶中で反転対称性のない、非対称な分子配向をとった場合、極性結晶と呼ぶ。

＊2）光異性化
光励起によって、分子の構造（コンホメーション）が変化すること。アゾベンゼンのトランス(trans)-シス(cis)光異性化は有名であり、広く応用されている。アゾベンゼン（右図）は熱力学的に準安定なcis体からより安定なtrans体に（室温においても）次第に戻ることが欠点であった。

＊3）光第二次高調波発生(Second Harmonic Generation, SHG)
レーザー光が反転対称性を持たない物質（非線形光学結晶、極性結晶）に照射された時に、2つの光子を吸収して、元の光子の2倍のエネルギー（入射光の2倍の周波数あるいは半分の波長の光）を持つ光子を１つ放出する現象。もともとの光のコヒーレンスを維持していることが特徴であり、等方性の媒体や、反転対称性を持つ媒質の中では発生しない。入射光の電界強度の二乗に比例して分極が起こる二次の非線形光学現象の一種であり、入射したレーザーの1/2の波長の光を発生するため、光波長変換に利用される。

論文情報

タイトル：
(気―水界面におけるアリルアゾピラゾールの光誘起・非対称自己組織化とSHGスイッチング)
著者名：
Yuki Nagai, Keita Ishiba, Ryosuke Yamamoto, Teppei Yamada, Masa-aki Morikawa, Nobuo Kimizuka* (永井邑樹、石場啓太、山本凌輔、山田鉄兵、森川全章、君塚信夫)
掲載誌：
Angewandte Chemie International Edition (出版社 Wiley-VCH)
DOI：
10.1002/anie.202013650

研究に関するお問い合わせ先

工学研究院　君塚 信夫　主幹教授

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