研究 (Research)
最終更新日：
超高精度ミラーを用いた極限集光X線自由電子レーザーの実現 (Extreme focusing of X-ray free-electron laser using ultra-precise mirror optics)
助教 山田 純平 (工学研究科 附属精密工学研究センター) YAMADA Jumpei (Graduate School of Engineering)
研究の概要
ナノレベルの形状精度と原子レベルの表面粗さで作り込まれた鏡（ミラー）は「理想的な X 線レンズ」として機能する。独自の X 線ミラー光学系を発案・実証し、X 線の波長領域にて波動光学的に回折限界を達成する高精度ミラーを作製することで、X線自由電子レーザー（XFEL）における7ナノメートル（nm）集光径と1022 W/cm2のピーク強度を実現した。これは X 線領域として世界最高強度を、XFEL の集光径として最小サイズを示すものである。また応用実験として、固体密度金属 Cr（クロム）の高度電離状態を計測し、電子が全て剥ぎ取られた「裸の原子殻」状態の生成が示された。
研究の背景と結果
X 線は、レントゲンによる発見以来、様々な分析技術に利用され、DNA の二重螺旋構造を明らかにするなど、医学・生物学・材料科学などの多くの分野において不可欠な役割を果たしている。近年発振に成功したX線自由電子レーザー（XFEL）は「夢の光」と呼ばれる高輝度・高コヒーレンスな X 線レーザー光である。XFEL を用いた実験および計測では、XFEL を微小サイズまで集光することでピーク強度を高める必要がある。日本の XFEL 光源である SACLA ではこれまでに、1 µm~50 nm までのマイクロ / サブマイクロ集光および 1020 W/cm2のピーク強度が実現され、タンパク質構造解析や超高速ポンプ・プローブ計測などの様々な計測に利用されてきた。
XFEL 光をさらに小さな10 nm 以下のサイズ（sub-10 nm）まで集光することができれば、可視光を含むレーザーの最高強度に匹敵する超高光子密度が X 線領域で生成可能となり、その実現と応用が長らく期待されてきた。しかしながら、XFEL の sub-10 nm 集光システムの実現は、光学設計・光学素子の作製・集光ビームの計測評価、のいずれもが困難な課題であった。これらの課題に対して、独自に開発してきた X 線結像ミラー光学系を XFEL 集光に初めて適用し、さらに X 線そのものを利用した At-wavelength 波面補正技術、および集光 XFELの高精度計測法を開発することで、7×7 nm 集光と1022 W/cm2集光強度を達成した。XFEL の集光径およびピーク強度において世界最高性能を示すものである。
応用研究も既に進んでおり、一例として固体密度金属 Cr（クロム）試料から原子線スペクトルであるライマン（Ly）線の観察に成功した。これは電子が1つしか残存していない強烈に励起された水素様金属元素が生成されたことを示している。さらに、高強度焦点での原子線スペクトルの振る舞いから、全ての電子が励起された完全電離状態の生成を示した。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といった分野への応用や、未踏の X 線非線形光学現象の実現、結晶化を必要としないタンパク質の単分子構造解析への展開が期待されている。
研究の意義と将来展望
得られた結果より、開発した7 nm 集光・1022 W/cm2強度の XFELを用いれば、恒星内部の電離状態を地上に再現できること、X 線励起によって電子温度1億 K 以上へ加熱できること、が示唆された。宇宙から降り注ぐ X 線スペクトルとの比較検証や熱核融合反応の初期状態探索が行える可能性があり、今後、宇宙物理学や原子物理学、高強度場科学といった分野への応用が期待される。また、今回実現された XFEL集光強度は、未踏の X 線非線形光学現象の実現や、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する。特に、可視光レーザーが辿ってきた歴史を鑑みると、新たに探索可能となる X 線非線形光学は、既存の限界を超える計測技術や光学技術を創出し得る。
担当研究者
助教 山田 純平 (工学研究科 附属精密工学研究センター)
キーワード
X 線ミラー／X 線自由電子レーザー／X 線集光
応用分野
光デバイス、宇宙物理、新触媒、医学・創薬
参考URL
http://www-up.prec.eng.osaka-u.ac.jp/
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2024/20240315_2
https://researchmap.jp/J_Y190325