ナノ物質と光の相互作用 : 長波長近似を超えて(第55回物性若手夏の学校(2010年度),講義ノート)

Abstract

光と物質はいかに相互作用するか?この問題は、物理、化学を始めとする多様な研究分野で長く中心的課題とされてきました。最近では電子の運動を閉じ込めるナノ物質が、そのサイズや形の制御により光との相互作用を「設計」できる系として注目を集めています。光と物質の相互作用は多くの場合「長波長近似」に基づいて記述されます。「電子の波動関数が広がる領域に比べ、光の波長はずっと長い。従って、その空間変動は無視して良い。」固体物理、光化学、量子光学など、光と物質の相互作用を問題とする様々な分野の教科書でこのような記述を見ることが出来ます。実際、長波長近似は多くの場合良い近似となり、光と物質の相互作用の標準的な記述法を与えてきました。しかし近年、精度良く作製されたナノ・マイクロ構造により、光波長程度まで広がった電子系励起状態や、逆に分子スケールにまで局在化された光電場が実現されるようになり、長波長近似の枠を越えた新しい「光と物質の相互作用」が我々の視野に入ってきました。そこでは電子系波動関数と光電場の空間的なインタープレイにより、従来では考えられなかったような光-物質強結合状態や、通常では実現できない特異な分子励起状態が現れます。このサブゼミでは、ナノ物質の光学応答の基礎を踏まえ、最近現れてきた長波長近似を超えた新しい光学応答や、その利用についての先端的研究例を紹介します。