大型放射光施設 SPring-8

公開日

2024年03月18日

2024年3月18日
大阪大学
名古屋大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

【研究成果のポイント】
◆ X線レーザーを7x7 nmのスポットサイズに集光してピーク強度10²² W/cm²を達成
◆ 独自のX線ミラーを作製することで、科学計測に真に実用可能な極限的X線集光ビームが実現
◆ 本研究によって実現した高強度X線レーザー場によって、X線非線形光学などの新たなX線科学の開拓が期待できる

大阪大学大学院工学研究科の山田純平助教、山内和人教授、名古屋大学大学院工学研究科の松山智至准教授、理化学研究所放射光科学研究センターの矢橋牧名グループディレクター、井上伊知郎研究員、高輝度光科学研究センターの大橋治彦主席研究員らの共同研究グループは、X線自由電子レーザー(XFEL：X-ray Free-Electron Laser)※1の極限的7ナノメートル(nm)※2のスポット集光を実現し、1022 W/cm2のピーク強度※3を達成しました。これはミラーに入射するXFELの強度を1億倍に増幅したことに相当する、世界最高X線強度です。また、可視光分野も含んだレーザー強度のトップクラスに比肩する値です。 図1 開発したXFEL 7 nm集光システムと達成した集光強度分布。 　XFELを集光する際には、高強度の入射X線レーザーによる集光光学系へのダメージを防ぐために、入射光を非常に浅い角度にて分散して受け止める楕円形状X線ミラーが利用されます(2012年12月プレスリリース※4)。これまでに超高精度なX線ミラーの作製法は確立されてきましたが(2018年11月プレスリリース※5)、集光状態の不安定性に大きな課題があり、理論的には達成可能なはずの10 nmを下回るような集光サイズの実現には至っていませんでした。 　今回、研究グループは、凹面と凸面を組み合わせたX線集光ミラー光学系を新たに開発し、高い安定性のもとXFELの7 nm集光を実現しました。これによって，従来までのX線強度よりも100倍以上高いX線ピーク強度1.45×1022 W/cm2が達成されました。さらに、生成した集光ビームを金属原子(クロム: Cr)に照射したところ、全ての電子を吹き飛ばすほどの劇的な反応が生じていることがわかりました。本研究によって実現された超高強度のXFELビームを用いることで宇宙物理、高エネルギー物理や量子光学などの基礎物理分野において、未だ観察されていないさまざまな物理現象の発見が期待されます。また、タンパク質などの立体構造を解明することにも貢献し、医学・創薬に役立つ単分子構造解析技術の開発につながるものと期待されます。 本研究成果は、英国科学誌「Nature Photonics」に、2024年3月15日（金）19時（日本時間）に公開されました。 論文情報 タイトル :Extreme focusing of hard X-ray free-electron laser pulses enables 7-nm focus width and 1022 W/cm2 intensity 雑誌名: Nature Photonics 著者：Jumpei Yamada, Satoshi Matsuyama, Ichiro Inoue, Taito Osaka, Takato Inoue, Nami Nakamura, Yuto Tanaka, Yuichi Inubushi, Toshinori Yabuuchi, Kensuke Tono, Kenji Tamasaku, Hirokatsu Yumoto, Takahisa Koyama, Haruhiko Ohashi, Makina Yabashi, and Kazuto Yamauchi DOI：10.1038/s41566-024-01411-4

【研究の背景】
　波長が短い光であるX線は、物質に対する高い透過性や原子中の内殻電子と相互作用するという特性から、レントゲン撮影、X線CT、建物や橋などの内部検査、微小試料の組成分析などに用いられています。通常X線を作り出すためには、X線管や放射光施設が利用されてきましたが、より高い強度を持つX線を作り出すために、X線自由電子レーザー（XFEL：X-ray Free-Electron Laser）がごく最近実現されました。XFELはX線とレーザーの性質を併せ持った最先端の光です。XFELを10 nm以下のサイズ(sub-10 nm)にまで集光し、その強度を高めることができれば、今までに発見されていないX線の非線形な物理現象の観測や、結晶化を必要としないタンパク質の構造解析が可能になると多くの研究者から期待されてきました。
　日本のXFEL光源であるSACLA^※6ではこれまで、日本の得意分野である精密なモノづくりに根ざしたX線楕円ミラー集光システムが精力的に開発されてきましたが、極限的なsub-10 nm集光の実現には至っていませんでした。特に、光学系の熱的不安定性や振動の観点から安定な集光状態を保証することができず、いつかどこかの瞬間で10 nm以下の集光サイズが達成されているかもしれない、というような極めて曖昧な精度でしか集光を行えていませんでした。

【研究の内容】
　研究グループでは、今までのXFEL sub-10 nm集光の不安定性が、楕円ミラーのみからなる光学配置が生む収差^※7に由来していることを見抜き、X線領域にて安定なミラー型レンズとして作用する新規X線集光光学系を開発しました。これは、鉛直・水平の両方向において凹面と凸面組み合わせのX線ミラーペアから構成されており(図1)、適切な光学設計によりSACLAのXFELが7 nmのサイズまで集光可能になります。また、従来問題となっていた収差が大幅に抑制されたため、安定的な集光とそれによる正確な集光評価が可能となります。これまでの研究開発で培われた精密なモノづくり技術を結集して新たなXFEL 7 nm集光システムを開発し、詳細なX線波動場^※8の評価を行なったところ7 nm ×7 nmの集光サイズが得られ、極限的なXFELの集光に成功したことが示されました。図2に示す複数のXFELショットごとの集光径評価結果からは、数百ショットにわたって極めて安定な7 nm以下のスポット集光が実現されている様子が分かります。XFELの高強度集光において、既存の技術を用いる限りは集光サイズの限界が5 nm程度とされており、安定性と実用性を考慮すると今回達成された7 nm集光はまさに極限的と言えます。集光されたXFELのピーク強度は1.45×10²² W/cm²に到達し、従来の値を100倍以上更新する世界最高X線強度^※9を達成しました。
　さらに、実現した超高強度7 nm集光XFELを金属Cr箔試料に照射しました。X線が物質に照射されると、原子中の電子が励起された後にX線発光(蛍光)を起こします。図3は、10²² W/cm²のピーク強度を持つXFELによって金属中の電子を励起した際に得られる発光スペクトルの計測結果です。通常の低強度でのX線蛍光発光とは大きく異なり、多くの発光ピークが得られました。中でもライマン(Ly)線^※10と呼ばれる、電子が残り1つだけのイオンの生成を表すスペクトルが得られ、強烈な電子励起が起きていることが分かります。興味深いことに、このLy線は最も高強度な焦点面において発光強度が弱まっている様子が観測されました。この結果は、束縛電子が全ていなくなったために発光が起きなくなった、すなわち固体密度の原子核状態の生成が示唆されました。

【本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）】
　本研究成果により、恒星内部の電離状態の解明に関する宇宙物理学および原子物理学や、超高密度・超高温のプラズマを探求する高エネルギー密度科学といった分野への応用が期待されます。これらの研究には、これまで可視光の高強度レーザーが用いられてきましたが、波長域の全く異なるX線の利用により、まさに新境地の開拓が予見されます。また、今回実現された高い強度のXFELは、X線の非線形光学現象の開拓や、結晶化を必要としないタンパク質の単分子構造解析が可能になる光子密度に相当し、多くの研究分野への波及効果が期待されます。

【特記事項】
本研究は日本学術振興会科学研究費補助金 若手研究(23K17149)、基盤研究(S)(21H05004)の一環として行われました。

【用語解説】