大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年10月13日

2016年10月11日
理化学研究所

※研究チーム

背景
　光の制御は古今東西の科学、産業における最重要課題の一つです。特に近年ではフォトニック結晶^[4]やメタマテリアル^[5]など、主に可視光帯域で光の波動性を強調して独特の制御を実現させる研究が多くの成果を挙げています。Ｘ線もより高い精度で自由に操ることができるようになれば、医療や科学研究を加速させるさらに強力なツールとなります。しかし、Ｘ線は波長が短く物質を透過しやすい性質を持つため、例えばその向きを変えるという基本的な制御にすらいろいろな工夫が必要です。結果として、多くのＸ線実験がさまざまな制約の下で行われています。Ｘ線を制御する全く新しい方法が見つかれば、これら制約を緩和して実験の幅をさらに広げることが可能となります。
　ここで、研究チームの澤田桂特別研究員らは2006年、Ｘ線波長帯域における光の波動性に着目し、“歪んだ単結晶が特定の条件下でＸ線の巨視的な横滑りを誘発する”という理論的な予測を提唱しました（図１）^注1）。また、同研究チームの香村芳樹ユニットリーダーらは2010年、予測された横滑り現象を実験で証明しました^注2、3）。

　しかし、これまで横滑りで軌跡が変化した後のＸ線の状態は調べられていませんでした。そこで研究チームは、横滑り現象で実際にＸ線ビームの向きや広がり具合が受ける影響を測定し、理論のさらなる検証に取り組みました。また、さらにこの現象を応用することで、結晶の歪みを最適化してＸ線を任意に横滑りさせることができるＸ線導波管の開発に取り組みました。

注1）Sawada et al., Phys. Rev. Lett. 96, 154802 (2006)
"Dynamical Diffraction Theory for Wave Packet Propagation in Deformed Crystals"
注2）2010年6月10日プレスリリース「歪み単結晶に照射したＸ線が、巨大な横ずれを引き起こす現象を観測」
注3）2013年1月31日プレスリリース「半導体結晶を通過するＸ線が2方向に分岐する現象を発見」

研究手法と成果
　研究チームはまず、「圧電素子^[6]」で薄膜結晶の歪みを制御するための装置を開発しました（図2）。続いて、大型放射光施設「SPring-8」のビームライン「BL29XUL」で単色かつ平行度の高い良質なＸ線ビームを作り出し、開発した歪み制御装置に搭載した薄膜シリコン単結晶の試料に照射しました。結晶試料の角度を「ブラッグの条件」付近になるよう維持し、入射したＸ線が高い効率で横滑りを起こす条件となるよう結晶の歪みを調整しました。そして、結晶中を横滑りした後に出射（しゅっしゃ）したＸ線の状態を詳しく調べました。その結果、横滑りして出射したＸ線ビームの向きや広がり具合は、入射時の状態とほぼ等しいことが分かりました。

　これは、澤田らの提唱した理論予測を支持する結果です。この現象により光が持つ波としての性質が結晶の歪みで強調され、Ｘ線の向きが変わらず位置だけが大きくずれることが分かりました。
　また、この現象を応用することで、結晶の歪みを最適化してＸ線ビームの軸を任意に平行移動（横滑り）できるＸ線導波管を開発しました。さらに圧電素子を振動させて結晶試料の歪みを任意に変動させることで、出射するＸ線のオン・オフを電気的に切り替える光スイッチとしての動作にも成功しました（図3）。

今後の期待
　Ｘ線をより自在に、精密に、効果的に扱うことで、私たちはさらに豊かな生活を手に入れることができます。例えば、高性能のＸ線顕微鏡は三次元画像から次世代の医療や創薬を促進させる一方、Ｘ線望遠鏡はブラックホール^[7]や超新星爆発^[8]の残骸の観測などから極限的な物理や元素合成の解明に迫ります。Ｘ線の制御は、これら全ての研究の礎となる不可欠な要素です。
　研究チームは今回の技術開発を通じて、Ｘ線光学系や時間制御に新しい手法をもたらしました。開発したＸ線導波管により、光ファイバーのように結晶を通じてＸ線を伝送することが可能となりました。これにより、将来的なＸ線実験全般における手法および戦略の拡充へとつながり、自由度の高まりにともなう新たな展開が期待されます。

【用語解説】
[1] SPring-8
　理研が所有する、兵庫県の播磨科学公園都市にある第三世代放射光施設。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来する。放射光（シンクロトロン放射）とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げたときに発生する細くて強力な電磁波のこと。SPring-8では、遠赤外から可視光線、軟X線を経て硬X線に至る幅広い波長域で放射光を得ることができるため、原子核の研究からナノテクノロジー、バイオテクノロジー、産業利用や科学捜査まで幅広い研究が行われている。

[2] Ｘ線導波管
Ｘ線の伝送に用いられる構造体のこと。

[3] ブラッグの条件
結晶や多層膜など周期的な構造を持つ物質に入射したX線が強め合う条件のこと。この条件を満たす入射角度をもつX線が物質によって反射される現象をブラッグ反射と呼ぶ。Ｘ線のエネルギーにより条件を満たす角度が異なるため、単一エネルギーのＸ線を選び出す際に結晶のブラッグ反射が利用されることが多い。

[4] フォトニック結晶
異なる屈折率を持つ材料を光の波長オーダーの周期で配列させた結晶構造。フォトニック結晶内に入った光は、周期的な散乱を受けることで光バンド構造を形成し、結晶内で非常にゆっくり進んだり、または結晶中から完全に排除されたりするなど、従来の一様な媒質中では見られない特異な振る舞いを起こす。

[5] メタマテリアル
光の波長よりも細かな構造を人工的に導入して、その構造と光との相互作用を利用することで実効的な物質の光学特性を人工的に操作した疑似物質。

[6] 圧電素子
ピエゾ素子とも呼ばれ、与えられた電圧に応じた圧力を発生させる素子。

[7] ブラックホール
強い重力のため光すら脱出できない天体。周りにガスがあると、それらが本体に落ちていく過程で加熱されて高温のプラズマとなり、Ｘ線が放射されると考えられている。

[8] 超新星爆発
重い恒星や白色矮星（わいせい）が一生を終えるときに起こす巨大な核爆発。飛び散ったガスが周りに強烈な衝撃波を形成し、その残骸により加熱された高温のプラズマがＸ線で明るく輝く。