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東北大学は、原子のクラスターにX線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」から供給される強力なX線を照射すると、ナノメートルクラス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たと発表した。

同成果は、東北大学多元物質科学研究所の上田潔 教授、福澤宏宣 助教のグループ、京都大学大学院理学研究科の八尾誠 教授、永谷清信 助教のグループ、広島大学大学院理学研究科の和田真一 助教、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の矢橋牧名グループディレクター、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の登野健介チームリーダーらによるもの。詳細は、英国の科学雑誌「Scientific Reports」に掲載された。

強力なX線と物質との相互作用はこれまで研究されていなかった。そこで今回、研究グループは、そうした強力なX線と物質との相互作用の解明に向け、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たという。

これまで、X線を原子クラスターに照射すると、クラスターを構成する原子の深い内殻軌道から電子が放出され、原子はエネルギーが高く不安定な原子イオンになるが、比較的浅い軌道の電子を放出することで安定化し、多価原子イオンになることが知られていた。また、SACLAのような強力なX線パルスを照射した場合、単一クラスター内の複数の原子においてこのような過程が起こり、たくさんの電子が放出され、この過程が進行していくと、時間的に遅れて原子から飛び出した電子のうち、エネルギーが低い電子は正の電荷に引き寄せられてクラスターからは飛び出せなくなっていくことから、微小空間内に正の電荷と負の電荷が混在するナノプラズマが生成することが予想されていた。

研究では、アルゴン原子クラスターに強力X線を照射し放出される電子の運動エネルギー分布を測定。その結果、2000〜5000eVの高速電子はクラスターから飛び出せなくなることなないが、200eVから低エネルギー側の領域が平らになることが確認され、電子が減速し、ナノプラズマが生成されることが示唆されたとする。

また、理論計算からX線照射によって放出される電子の中でも比較的低エネルギーの電子とクラスター内の原子との衝突により放出される2次電子がナノプラズマ生成に主に寄与していることも判明したという。

なお、今回の研究結果について研究グループでは、SACLAの強力なX線パルスを用いた物質の構造解析を行う上で、ナノプラズマが生成される反応素過程を正確に知り、考慮したうえで解析を行うことが必要不可欠であることを示すものであるとするほか、強力X線と物質との相互作用に関する問題を1つひとつ解決していくことで、SACLAを用いて、これまで見えなかった超微細・超高速な現象を見ることも可能になることが期待されるとコメントしている。