Grant amount：\6500000 （ Direct Cost: \5000000 、 Indirect Cost：\1500000 ）

今年度は、浮揚ナノ粒子に対するイオン顕微鏡を実現するための真空槽および原子イオンを生成・観測するための光源の作成に取り組んだ。真空槽としては、ナノ粒子を捕捉するためのレンズやカルシウムイオン線源を取り付けた小型のチャンバーを製作した。また、カルシウムイオンを生成・観測するための4種類の光源（主冷却光、リポンプ光、2種類の光イオン化光）を作成し、単一周波数での発振を確認した。
一方、既存の実験装置を用いた研究においては、ナノ粒子の3次元的な形状観測を光学的に行う手法を突き詰め、異方的なポテンシャル中におけるナノ粒子の回転振動の周波数から、楕円体を仮定した場合のナノ粒子の半径比を精密に決定する手法を確立した。さらに、基底状態付近まで重心運動を冷却したナノ粒子の速度を飛行時間法によって測定すると、楕円体からのずれによって回転振動と重心運動が結合しているために、速度分布の幅が広がること、この広がり方から楕円体からのずれの大きさを見積もることができることを、それぞれ初めて明らかにした。これらの成果は、2本の論文として発表した。今回得られた成果は、元々本研究で想定していた、電子線もしくはイオン線によってナノ粒子の形状観測を行う手法とは全く別のアプローチによって形状を推測する手段を確立したものであり、本研究の内容と相補的な役割を果たし、将来的に相互に観測結果を比較することで、それぞれの観測結果の正しさを検証する道を拓いた。

Grant amount：\17290000 （ Direct Cost: \13300000 、 Indirect Cost：\3990000 ）

We constructed a new apparatus consisting of an optical system and a vacuum chamber. With this apparatus, we demonstrated electric feedback cooling of single charged nanoparticles in an optical lattice to near the ground state. In this experiment, we observed that the motion of nanoparticles in an optical lattice was heated by the laser phase noise and showed that the heating effect was made negligible by the reduction of the laser phase noise. Furthermore, we investigated the possibility of measuring the momentum of nanoparticles via the time-of-flight method and found that the momentum measurements of charged nanoparticles were difficult due to the strong impact of the residual electric fields in the vacuum chamber. To solve this issue, we developed a method for neutralizing nanoparticles and cooling them to near the ground state.

Grant amount：\24960000 （ Direct Cost: \19200000 、 Indirect Cost：\5760000 ）

We built an experimental apparatus that can trap nanoparticles in vacuum in an optical lattice formed with an infrared laser and observe their three dimensional motion precisely. With this apparatus, we found that nanoparticles in vacuum tend to have a relatively large charge of about 50 to 200 elementary charges and can be readily manipulated by oscillating electric fields. Furthermore, we demonstrated an efficient cooling method relying on the optical observation of single charged nanoparticles and the application of feedback electric fields that decelerate the amplitude of the nanoparticles’ motion and reached ultralow temperatures in three dimensions. Simultaneously, we established a procedure to properly measure the mass and the charge number of trapped nanoparticles.

Grant amount：\3640000 （ Direct Cost: \2800000 、 Indirect Cost：\840000 ）

We built an experimental apparatus that can trap a few nanoparticles in an optical lattice in vacuum and observe their motion precisely. We showed that nanoparticles made of various materials can be trapped at atmospheric pressure and those made of a few materials, apart from silica used in previous studies, can even be stably trapped in vacuum. Furthermore, we showed that the oscillation frequency in vacuum depends on materials and demonstrated the principle of the non-destructive constitution analysis of nanoparticles. As an unexpected result, we discovered that two nanoparticles in a single optical lattice continuously orbit around each other even at atmospheric pressure and found that this phenomenon has properties significantly differing from known oscillation phenomena based on the radiation pressure.

Grant amount：\1430000 （ Direct Cost: \1100000 、 Indirect Cost：\330000 ）

本研究の目的は、ナノサイズの固体試料を真空中にレーザーで捕捉し、その内部温度を超低温まで冷却する新しいタイプの冷凍機を実現することにある。今までにないこのような技術を創出するため、本研究ではまず真空槽とその中に入射するレーザー光を分配する光学系、およびナノ粒子を観測するための光学系からなるプロトタイプの装置を製作した。
従来研究では、ナノ粒子の材質としてシリカ(SiO2)を用いたものがほとんどであったが、本研究では粒子内部の温度を評価するために、フォトルミネッセンス分光のしやすいバンドギャップの小さな材質からなる粒子を扱う。この場合、トラップ光の波長がバンドギャップと近くなり、トラップ光を散乱しやすくなることから、トラップ可能であるかどうか未知であったが、本研究により、シリカではない5つの材質のナノ粒子をトラップできることを初めて示した。これにより、装置として様々な材質の粒子を扱えることを示すと共に、フォトルミネッセンス分光による粒子内部の温度測定という目的にむけた重要な基盤が得られたことになる。
また、本研究を進める中で、ナノ粒子の安定した捕捉には、入射ビームをミラーで打ち返す必要があることを見いだした。これは、打ち返しにより光格子が形成されてトラップ光の作り出すポテンシャルが4倍の深さになると共に、粒子がトラップ光の散乱により一方向から受ける力をほぼ除去できるためであると考えられる。光格子という従来研究にない特徴の結果、複数の粒子が光格子の異なる位置に別々に捕捉されることを見いだした
これらの結果を踏まえ、ナノ粒子の内部状態の冷却の予備段階として不可欠な重心運動の冷却に向けて、その鍵となるナノ粒子の運動の直接観察に成功した。