2026/04/01 更新

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サンノミヤ　タクミ
三宮　工
SANNOMIYA TAKUMI
所属
物質理工学院 教授
職名
教授
ホームページ
http://www.sannomiya.iem.titech.ac.jp
外部リンク

News & Topics

学位

  • 博士 （ ETH Zurich ）

研究分野

  • ナノテク・材料 / 光工学、光量子科学

論文

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MISC

  • プラズモン増強ルミネセンスの電子線ナノ分光マッピング

    斉藤光, 松方妙子, 木村勇一郎, 松崎健太郎, 渡邊厚介, 稲田幹, 三宮工

    日本物理学会講演概要集(CD-ROM)   75 ( 1 )   2020年

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  • 鉄鋼材料のための電子線トモグラフィー観察手法の開発

    長谷崎愛, 斉藤光, 三宮工, 宮崎裕也, 權堂貴志, 宮崎伸介, 波多聰

    日本金属学会九州支部・日本鉄鋼協会九州支部・軽金属学会九州支部合同学術講演大会講演概要集   2017   2017年

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  • 磁場フリー電子線トモグラフィーによる純鉄中転位の三次元可視化

    長谷崎愛, 斉藤光, 三宮工, 宮崎裕也, 權堂貴志, 宮崎伸介, 波多聰

    材料とプロセス(CD-ROM)   29 ( 2 )   2016年

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  • 分析電顕法による金属ナノ構造体の光物性解析

    斉藤光, 三宮工, 山本直紀, 島ノ江憲剛, 島ノ江憲剛, 波多聰

    日本金属学会九州支部・日本鉄鋼協会九州支部・軽金属学会九州支部合同学術講演大会講演概要集   2015   2015年

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • ナノ構造における光角運動量の電子線による超分解能解析と制御

    研究課題/領域番号：24H00400  2024年4月 - 2028年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    三宮 工, 藤井 稔, 森竹 勇斗

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    配分額：48750000円 （ 直接経費：37500000円 、 間接経費：11250000円 ）

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  • 高速電子で拓く次世代ナノ光制御

    研究課題/領域番号：22B204  2022年5月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(B)

    三宮 工

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  • ビッグデータ・カソードルミネセンス

    研究課題/領域番号：22H05033  2022年5月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(B)

    三宮 工

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    配分額：39000000円 （ 直接経費：30000000円 、 間接経費：9000000円 ）

    ２０２３年度は、これまでの研究において確立された、電子線励起発光（カソードルミネセンス、ＣＬ）を用いた空間位置・運動量・エネルギー計測に発光位置分解を加えた系を統合した顕微システムをを用いて、干渉を用いないインコヒーレントな位相抽出法を検討し位相回復アルゴリズムを作成した。いわゆる回折イメージングと同様に、フーリエ変換を用いた反復的な方法により、２枚の画像から位相と振幅の両方を回復するアプローチを適用した。CLシミュレーション像においては、位相回復できており、アルゴリズムの動作確認ができている。すでに実測を開始しているが、位相回復まで至っておらず、２０２４年度にこれらの実測・解析を引き続き行う予定である。また、確立した４次元計測法に誘電体球ナノアンテナの計測を行った。データ取得できた一方でメカニズム解明ができていないため、これらも２０２４年度に実施する。
    さらにビッグデータ取得を目指して、大量のデータを同時取得するための多重化計測にむけたシミュレーションを実施した。１点ずつのスキャンではなく、複数の点からなるビームを用いて、スキャン点数を減らして計測を行い、適当な前提条件を置くことで、細かいスキャン点数のデータの復元ができると考えられる。これにより、ダメージをうけやすいサンプルの測定点数を減らすことが可能となる。シミュレーションにより、複数の穴をあけた絞りを用いたビームによりある程度像回復が可能であることが実証できた。さらに実測のため、FIBを用いて、複数穴からなる絞りの作製を行った。この絞りを電子顕微鏡コンデンサ絞り位置に導入し、多点ビームの確認、および多点ビームによるサンプルの計測を行った。しかし、多点ビーム調整は想像以上に簡単ではなく、２０２４年度にこれらのデータの解析、測定方法の再検討をする予定である。

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  • 高速電子で拓く次世代ナノ光制御領域のマネジメント

    研究課題/領域番号：22H05031  2022年5月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 学術変革領域研究(B)  学術変革領域研究(B)

    三宮 工, 斉藤 光, 秋葉 圭一郎

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    配分額：7800000円 （ 直接経費：6000000円 、 間接経費：1800000円 ）

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  • 高速電子とコヒーレント励起光子の量子もつれ実証

    研究課題/領域番号：23K23231  2022年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    秋葉 圭一郎, 三宮 工, 弓削 達郎

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    配分額：18070000円 （ 直接経費：13900000円 、 間接経費：4170000円 ）

    電子線励起コヒーレント発光は、高速電子とそれによって生成される光子の間にエネルギーおよび運動量の保存が成立するため、シンプルに電子と光子の間の量子もつれの生成が予期されていた。しかしながら、ここまでの研究によって、実際に用いる電子線に課せられる量子ゆらぎやコヒーレント発光の種類で決定される光子のスペクトル広がりといった詳細によっては、電子と光子の量子もつれが生じない可能性があることがわかってきた。そこで、第2年度となる2023年度の補助事業では、理論として「電子線励起コヒーレント発光のハミルトニアンから電子線中の電子‐光子量子もつれ状態を記述すること」、実験として「種々の電子線励起コヒーレント発光について、分光および光子統計計測を行い、特性を明らかにすること」を行った。
    理論では、先行研究も踏まえた上で、電子と光子の量子もつれ状態を一般性を持った形でモデル化し、電子のエネルギー幅、光子のスペクトル幅といった条件を変化させながら、量子もつれの量がどのように変化するかを明らかにした。これによって、電子と光子の量子もつれの発現条件が確かに存在し、実験的な検証に必要な生成条件が判明した。
    実験では、遷移放射、局在プラズモンポラリトン、表面プラズモンポラリトン、チェレンコフ放射、スミス＝パーセル効果の特性を調べ、電子顕微鏡中で可能な電子線励起コヒーレント発光を網羅的に調査し、電子－光子間量子もつれ生成に適したコヒーレント発光の種類や条件をある程度絞ることができた。さらに、この調査を通して付随的ではあるが、光子バンチングを示してしまう電子線励起コヒーレント発光が、まさにコヒーレント状態のようにポアソン分布の光子統計性になっていることを実験的に示すこともできた。

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  • 高速電子とコヒーレント励起光子の量子もつれ実証

    研究課題/領域番号：22H01963  2022年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    秋葉 圭一郎, 三宮 工, 弓削 達郎

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    配分額：18070000円 （ 直接経費：13900000円 、 間接経費：4170000円 ）

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  • 光子―光子および電子―光子相関による超分解能の蛍光寿命イメージング顕微鏡

    研究課題/領域番号：21K18195  2021年7月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(開拓)

    三宮 工, 石井 あゆみ, 秋葉 圭一郎

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    配分額：25870000円 （ 直接経費：19900000円 、 間接経費：5970000円 ）

    蛍光寿命顕微鏡においては、光の回折限界に起因して、分子・原子レベルでの機能が重要となる100nm以下の情報が得られない。最近の超解像法等によって分解能の向上は試みられているものの、数十nmが限界である。本研究では、光子ー光子相関および電子ー光子相関測定という全く新しい計測手法により、蛍光寿命顕微鏡による回折限界を打破する。この手法では、電子プローブの空間分解能で測定可能であり、既存の光による寿命顕微鏡の分解能をはるかにしのぐ。高い空間分解能を生かした透過電子顕微鏡ベースの計測によりナノ構造の同時計測・直接対比も可能となる。
    このうち、本年度は光子ー光子相関のマッピングシステムの確立を行った。ナノスケールでの発光寿命マッピングが可能となった。加えて、時間相関曲線からは、励起効率、発光効率のマッピングも可能となっている。この手法を用いて、次世代太陽電池や量子ドットなどの高効率発光半導体として注目されているCsPbBr系の金属ハライドペロブスカイト材料の解析および、レーザーダイオードなどに用いられるInGaN量子井戸の解析に着手した。
    また、電子―光子相関計測に必要となる高速電子検出器の開発を行った。現在汎用器で用いられているセリウムドープ・イットリウムシリサイド（YSO:Ce）シンチレータからの信号を、光子計測器を用いて時間相関計測ができるように検出器を新たに作製した。また、ＹＳＯシンチレータ以外のシンチレータを取り付けられるようにし、発光寿命の短いプラスティックシンチレータも試している。この検出器を用いた電子―光子相関計測により、光励起した電子を選択的にとらえることに成功している。

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  • アキラル構造からなる光角運動量ソーターの多空間同時光計測による研究

    研究課題/領域番号：21H01782  2021年4月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    三宮 工, 藤井 稔, 斉藤 光, 秋葉 圭一郎

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    配分額：17420000円 （ 直接経費：13400000円 、 間接経費：4020000円 ）

    光の角運動量選択は量子通信・暗号化に不可欠な要素である。これまで角運動量選択には、対掌性をもつキラル構造が提案されてきたが左右回転パリティへの応答が同等でなく、定量性・堅牢性に欠けていた。本研究は、①アキラルな構造を用いた光アンテナ・導波路を用いて、両パリティに同等に応答する角運動量ソーターを実現し、更に、②この計測のために、光のエネルギー・励起位置・発光位置・発光角度の全情報を同時に得られる多空間同時計測カソードルミネセンスを開発するものである。
    ２０２１年度は、①の角運動量ソータの一例である、バレー・プラズモニック結晶をベースとした、トポロジカルに保護されたプラズモニック導波路を設計・作製し、②で開発した４次元カソードルミネセンス装置を用いてその導波を可視化することで、その機能を実証した。理論計算と実験結果をあわせることで、この導波がバレー結晶を張り合わせたエッジで、トポロジカルに保護されていることを確認した。
    また、①の新たな構造として、誘電体の鎖構造を提案した。大きさの異なる誘電体球をジグザグに配置することで誘電体球内部で電場が回転する光スピン伝搬モードが方向性をもって伝搬する構造を見出し、数値計算により動作することが確認できている。この構造は、２次元結晶系と異なり、滑らかなカーブをもった導波路など幾何学的な自由度が高い。
    ②の装置開発に関しては、４次元計測系がおおよそ確立され、ハードウェア整備が整った。解析ソフトウェアも通常使用できる状態にまで完成した。引き続き改良をすすめているところではあるが、応用計測が可能な段階に到達している。

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  • プラズモニックメソグレーティングの異常光透過特性の解明とナノ偏光フィルターの作製

    研究課題/領域番号：19K22058  2019年6月 - 2022年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)

    村井 俊介, 斉藤 光, 三宮 工

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    配分額：6500000円 （ 直接経費：5000000円 、 間接経費：1500000円 ）

    金属メソグレーティング構造の特異な偏光フィルター作用から着想し、光/熱マネジメントに資する金属や誘電体ナノ構造の研究を行った。まず光－熱変換を積極的に利用する、アスペクト比の大きな（溝の深い）トレンチ構造およびナノロッドアレイ構造を開発した。また窒化チタンを利用することで可視光の幅広い波長範囲で光－熱変換を実現できることを示した。さらに背の高いアルミニウムナノ粒子が面内と面外のプラズモニックモードの干渉によりファノ型の共鳴を示し、面外に非対称な光散乱を起こすことを見出し、実験にて実証した。さらに散乱光を制御する新しい構造として単位格子に異なる2つの格子点を持つ非ブラベ型ナノアンテナを作製した。

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  • 金属ナノ接点の力学特性におけるエントロピー効果

    研究課題/領域番号：18H01825  2018年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    大島 義文, 三宮 工

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    配分額：17290000円 （ 直接経費：13300000円 、 間接経費：3990000円 ）

    長辺振動水晶振動子（Length Extension Resonator）の力センサーを備えた透過型電子顕微鏡 (Transmission Electron Microscope)ホルダーを開発し、この水晶振動子を用いたナノメカニックス測定法を確立することを目的とした。この手法を用いて、白金原子鎖内の原子間結合スティッフネスが約 25 N/m であり、バルク結晶内の原子間結合スティッフネス、20 N/mよりも高いことを明らかにした。さらに、初期には0.25 nmであった原子結合長さが、0.31 nmまで弾性的に伸び、その結果、25%と極めて大きな弾性歪みを有することが明らかになった。

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  • ナノキュベットを用いたタンパク質の液中・動的・高分解能電子顕微鏡イメージング

    研究課題/領域番号：17K19025  2017年6月 - 2020年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)

    三宮 工

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    配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）

    タンパクの観察の動的観察に必要な基礎実験、測定に必要な要素技術を確立した。本研究期間中に、抗生物質では効かない重い感染症などに有効とされる抗体である免疫グロブリンG（IgG）分子が、これまで報告されていない鎖構造を持つことを新たに見出した。現在この鎖構造の検証中である。これらは新たな免疫機能や輸送手法の開発に展開される可能性がある。さらに、電子顕微鏡内への光導入により、仕事関数よりもはるかに小さいエネルギーの光によっても、光電効果のような試料の電荷状態が変化するという全く新しい現象を発見した。本研究成果を踏まえて引き続き生体分子の光との相互作用のその場観察を展開する。

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  • 透過電子顕微鏡内における電子線照射効果のプラズモニックセンシング

    研究課題/領域番号：15F15744  2015年11月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特別研究員奨励費

    三宮 工, WADELL CARL

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    配分額：2300000円 （ 直接経費：2300000円 ）

    透過型電子顕微鏡（TEM）を用いたその場観察手法は近年広く広まってきている。一方で、TEMでは高エネルギー電子線（80-300kV）による観察対象の損傷が無視できない場合がある。この電子線損傷が無視できないときには、特にTEM中その場観察時に、観察対象の変化が本質的なものか電子線損傷かを見分けることが困難となる。本研究は、プラズモニックセンシングを応用し、TEMにおける電子線の影響を定量的に解析するためのプラットフォーム作製を目的としている。平成27年度には、自己組織化によるナノ温度センサー粒子の開発に成功した。28年度からは、二種の相分離系の組成からなるハイブリッドナノ粒子の作製を試み、Ag-Cu粒子を前年度に確立した自己組織化による手法で作製することができた。走査型透過電子顕微鏡による、エネルギー分散分光、電子線エネルギー損失分光、カソードルミネセンス法により、３次元的な組成と局所的な電場、共鳴を測定し、このハイブリッドナノ粒子が特異な光学特性を発現することを見出した。H29年度はこれらの数値的解析をおこなうとともに、更に新たなセンサープラットフォームの作製を行った。これまで自己組織化のみを用いていたが、コロイダルリソグラフィーを応用し、基板レスのナノディスク作製技術を確立した。この手法では、均一なサイズのナノディスクを大量に作製することができ、また基板剥離を行うことで、基板のない状態でTEM測定が可能となる。実際に異なる材料・サイズで、均一なナノディスクを作製することに成功した。また、センサー性能として、これらの光学特性を評価した。

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  • 固液界面と吸着分子の断面イメージングを可能とするナノキュベットの創成

    研究課題/領域番号：26870184  2014年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)

    三宮 工, 稲垣 聡

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    配分額：3900000円 （ 直接経費：3000000円 、 間接経費：900000円 ）

    水溶液中での物質のイメージングは、生体メカニズムの解明、創薬、潤滑性能向上、触媒プロセスなど幅広い分野で重要なテーマである。しかしながら、現存する分光法や走査プローブ顕微鏡法では、空間的・時間的分解能は十分ではない。また、最も興味ある界面のイメージングができない。本研究では、高い空間分解能をもつ透過型電子顕微鏡（TEM）による液中観察の新たなプラットフォームとして、「ナノキュベット」を作製する。ナノスケールに薄く、電子透過の高い「ナノキュベット」を用いて、キュベット内で溶液中その場観察を行う。

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