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光子一つが見える「光子顕微鏡」を世界で初めて開発 ~光学顕微鏡で観測できない極めて弱い光で撮影が可能~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は2017年4月5日,物理計測標準研究部門 量子光計測研究グループ 福田大治 研究グループ長らが,従来の光学顕微鏡では観測できない極めて弱い光でも,明瞭なカラー画像を観察できる「光子顕微鏡」を開発したと発表した.本成果は,英国科学雑誌Scientific Reportsにオンライン掲載された(注).

 光学顕微鏡では,観察する試料に光を照射し,その反射光や透過光をレンズで集光して,CMOSカメラなどの光検出器で画像を撮影する.しかし,試料からの光が極めて弱くて光検出器の検出感度を下回ると画像が暗く不明瞭となる.そのため,微弱な光でもカラー観察できる高感度な光学顕微鏡が求められていた.

 産総研では,単一光子レベルの極微弱な光を,超伝導現象を用いて検出する技術の研究を進めてきた.超伝導光センサーは,超伝導薄膜からなる光検出部と,光を閉じ込めるための誘電体多層膜からなる.極低温に保持された光検出部に光子が入射すると,光子のエネルギー吸収によって一時的に温度が上昇し超伝導状態が壊れ,電気抵抗が変化する.その抵抗変化の大きさ(電圧スパイクの高さ)から光子エネルギーが分かるので,光子の波長を識別できる.この超伝導光センサーを用いて,通信容量を従来の千倍以上とする量子情報通信への応用可能性を提案するなど,この超伝導光センサーの応用範囲や利用の拡大を目指してきた.

 今回,この超伝導光センサーを光学顕微鏡の光検出器に用いた光子顕微鏡を開発した.観察する試料のある場所(0.5µmスポット径)からの極微弱光をレンズ系で集光し,光ファイバーで冷凍機内の超伝導光センサーへ光子を導く.超伝導光センサーは,Ti/Auの常伝導/超伝導金属2層膜から成り,冷凍機内で温度100mKに維持されている.到達した光子を超伝導光センサーで1個ずつ分離検出してそのエネルギーを測定し,ある一定の時間(50ms)内に到達した光子の数とそれぞれのエネルギー(波長)から,測定場所の試料の色を識別する.試料を走査して,場所毎にこの測定を繰り返すことで,観察試料のカラー画像(100×100pixels)が構築できる(総走査時間 33分).

 開発した光子顕微鏡の性能を実証するため,カラー印刷したテストパターンを極微弱光で照らし,反射光を,CMOSカメラを用いた一般的な光学顕微鏡と,本開発の光子顕微鏡でそれぞれ撮影して比較した.試料からの反射光強度が微弱だと,光学顕微鏡では色を見分けることが困難であったが,光子顕微鏡では同じ光強度でも,赤(600~800nm)・黄(500~600nm)・青(400~500nm)の各色を明瞭なコントラストで識別できた.この測定では1測定点あたりの光子数は,平均20個程度(露光時間50ms)であり,これは0.16fW(10-15W)程度の極微弱な光強度に相当する.今回の実験では波長400nm~800nmの可視光領域の光子だけから画像を構築したが,超伝導光センサーは波長200nm~2µmの紫外光や赤外光領域も含む広範な波長領域の光子を識別できる.

 今後,生体細胞からの発光や化学物質の蛍光などを観察し,今回開発した光子顕微鏡の更なる有効性を実証する予定である.また,超伝導光センサーの多素子化により,試料からの極微弱な発光や蛍光のカラー動画を撮影できる技術の開発にも取り組むとしている.

(注)Kazuki Niwa, Takayuki Numata, Kaori Hattori, and Daiji Fukuda, "Few-photon color imaging using energy-dispersive superconducting transition-edge sensor spectrometry", Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 45660 (2017), doi: 10.1038/srep45660; Published online: 04 April 2017