原子スケール空間の巨大電場で操る非線形な光発生現象 ―超小型光エレクトロニクス技術への基礎的ブレイクスルー―
杉本敏樹准教授（分子科学研究所：計画A03）
【概要】
分子科学研究所の高橋翔太特任助教、櫻井敦教助教（兼 総合研究大学院大学助教）、望月達人大学院生（総合研究大学院大学）、杉本敏樹准教授（兼 総合研究大学院大学准教授）らの研究グループは、物質に生じる非線形な光学応答の効率を、外部からの印加電圧によって操作可能とする新しい手法の開発に成功しました。原子スケールで探針位置を制御可能な走査トンネル顕微鏡（STM）では、金属探針と金属基板の間に数オングストローム（100億分の1メートル）級の非常に小さなギャップを形成することができます。研究グループは、この微小なギャップ空間に非線形な光学応答を示す物質を閉じ込め、±1 Vの範囲で探針と基板間に電圧を印加しながらフェムト秒パルスレーザー(4)を照射したところ、閉じ込められた物質から得られる第二高調波発生（SHG、図 1a）(5)の光の強度がおよそ2000%程度も変調されることを見出しました。さらに、この巨大な電気的変調効果は、物質に照射する光の特定の波長にほとんど依存せず、可視光から近赤外光、さらには中赤外光にまたがる幅広い波長領域において有効に生じる現象であることも確かめられました。本研究は、オングストロームスケールの金属ギャップが物質の非線形光学応答を制御するための非常に有用なプラットフォームであることを世界で初めて示すものであり、原子スケールの超小型サイズで動作する次世代光エレクトロニクス技術の開発に向けた基礎学理を提供する重要な成果です。
本研究成果は、国際学術誌『Nature Communications』に、2026年1月24日付でオンライン先行公開されました。
Abstract
Plasmons facilitate a strong confinement and enhancement of near-field light, offering exciting opportunities to enhance nonlinear optical responses at the nanoscale. However, despite significant advancements, the electrically tunable range of the nonlinear optical responses at nanometer-scale plasmonic structures remains limited to a few percents per volt. Here, we transcend the limitation of the nanometer regime by expanding the concept of electrophotonics into angstrom-scale platform, enabling high-performance modulation of near-field nonlinear optical responses inaccessible in prior architectures. We demonstrate ~2000% enhancement in second-harmonic generation (SHG) within 1 V of voltage application by utilizing an angstrom-scale plasmonic gap between a metallic tip and a flat metal substrate in a scanning tunneling microscope. Extending this near-field SHG scheme to sum-frequency generation that is accompanied by large frequency upconversion, we also found that such giant electrical modulation of plasmon-enhanced nonlinear optical phenomena is effective over mid-infrared to visible broad wavelength range. Our results and concepts lay the foundation for developing near-field-based angstrom-scale nonlinear electrophotonics with significant modulation depth at low driving voltage.
"Shota Takahashi, Atsunori Sakurai, Tatsuto Mochizuki, Toshiki Sugimoto "Nat. Commun.2026 "Giant near-field nonlinear electrophotonic effects in an angstrom-scale plasmonic junction"