八尾誠 理学研究科教授、永谷清信 同助教のグループ、上田潔 東北大学多元物質科学研究所教授、福澤宏宣 同助教のグループ、和田真一 広島大学理学研究科助教、矢橋牧名 理化学研究所放射光科学総合研究センターXFEL研究開発部門ビームライン研究開発グループディレクターおよび登野健介 高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室先端光源利用研究グループ実験技術開発チームリーダー等による合同研究チームは、原子のクラスターにX線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLAから供給される非常に強力なX線を照射すると、ナノメートル程度の大きさのプラズマ（ナノプラズマ）を生成することを見出しました。
XFELの非常に強力なX線パルスを用いると、非常に小さな結晶や結晶化していない試料からでも1発のX線パルスでX線散乱を計測できるため、これまで構造が決定できなかった様々な物質や過渡的な状態にある物質の構造が決定できると期待されています。本研究の結果は、SACLAの強力X線パルスをどのような物質に照射してもナノプラズマ化という現象が起こり得るため、X線散乱の解析においてもこの現象による影響を正確に知ることが必要であることを示しています。
本研究成果は、英国の科学雑誌「Scientific Reports」に2015年6月16日にオンライン出版されました。
研究者からのコメント
昔から道具を正しく使いこなすことは職人の基本ですが、世界最大級の「道具」であり、極微世界を調べるX線自由電子レーザーでも同様です。ただし、そこには今回の発見のようにプラズマの生成が関与してきます。プラズマは気体・液体・固体を超えた第4の状態で、宇宙の大部分を占めているとも言われています。つまり、X線自由電子レーザー利用においては、壮大にして細心の智恵を働かせて研究を進めなければなりません。とてもチャレンジングな課題です。
概要
XFELの誕生により、X線領域でレーザー光が利用できるようになりました。XFELを利用することで、これまで見ることが出来なかった、超高速・超微細な現象を見ることが出来ると期待されています。これを実現するためには、XFELのような超強力X線を物質に照射した時に、物質そのものに何が起こるのかを理解することが重要です。しかし、このような超強力X線と物質との相互作用はこれまで研究されていませんでした。本研究では、X線領域でのレーザー光利用に重要な新規研究分野である超強力X線と物質との相互作用を解明する為、原子の集合体である原子クラスターを試料として、XFEL照射によりどのような応答を示すかを調べました。
本研究では、アルゴン原子クラスターを真空中に導入して、SACLA BL3で得られる超強力X線パルスを照射し、放出される電子の運動エネルギー分布を測定しました（図）。本研究で観測したアルゴン原子クラスターからの電子放出の場合には、200電子ボルトから低エネルギー側の領域が平らになることが分かりました。このことはクラスターに生じた強い正の電荷により電子が減速されていることを示しています。さらに電子が減速されると、クラスターから飛び出せなくなり、ナノプラズマが生成されます。その後、一度は束縛された電子も蒸発するように放出されることがあり、エネルギーの増加とともに単調に収量が減少する低エネルギー電子として観測されます。図に見られるゼロエネルギー付近の低エネルギー電子は、ナノプラズマの生成を示唆するものです。
アルゴン原子クラスターにXFELを照射して得られる電子の運動エネルギー分布
詳しい研究内容について
超強力X線による極微小プラズマ生成を発見 －X線自由電子レーザーを利用したイメージングに重要なメッセージ－
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/srep10977
[KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/198672
T. Tachibana, Z. Jurek, H. Fukuzawa, K. Motomura, K. Nagaya, S. Wada, P.
Johnsson, M. Siano, S. Mondal, Y. Ito, M. Kimura, T. Sakai, K.
Matsunami, H. Hayashita, J. Kajikawa, X.-J. Liu, E. Robert, C. Miron, R.
Feifel, J. P. Marangos, K. Tono, Y. Inubushi, M. Yabashi, S.-K. Son, B.
Ziaja, M. Yao, R. Santra & K. Ueda
"Nanoplasma Formation by High Intensity Hard X-rays"
Scientific Reports 5, Article number: 10977 Published 16 June 2015
