大型放射光施設 SPring-8

公開日

2014年04月28日

2014年4月28日
国立大学法人　東京大学
国立大学法人　大阪大学
公益財団法人　高輝度光科学研究センター
独立行政法人　理化学研究所

ポイント
• ４枚の超高精度ミラーを利用した世界オンリーワンのX線レーザー集光システムを開発
• 従来に比べ集光強度を100倍以上向上させ、世界ではじめて10²⁰W/cm²のX線ビームを実現
• 未だ観察されていない新しい物理現象の発見や高分解能の顕微鏡の開発に貢献

研究の背景と目的
2011年10月に世界最短波長のX線自由電子レーザーが実現したSACLAでは、基礎的な物理学、化学、生物学のみならず、創薬、医学、産業をリードする最先端の研究が行われています。光を物質に照射することにより発生する信号の大きさは、照射X線の強度に依存しているため、XFEL利用研究の多くにおいて、光の強度は最も重要なパラメータです。例えば、XFELの光を集めサンプルへの照射強度を大幅に向上させることで顕微鏡の分解能が大幅に向上し、動いているたんぱく質分子の原子構成を瞬時に観察できるようになります。また、XFELの光を集光してはじめて観察される非線形効果現象は、基礎物理分野において大変注目されており、SACLAの誕生により、この分野でも世界を大きくリードしつつあります。
XFELの光は波長が短く強力であるため、一般的な虫眼鏡のようなレンズでは集めることができず、極めて高い精度をもつ「集光鏡」が必要になります。そこで日本が誇るものづくり技術の出番です。研究グループは、日本がもつ最先端の超精密加工技術により、究極の原子レベルの精度をもつ大型の集光鏡を開発し、XFELの光を世界にさきがけて、1マイクロメートルに集光し超高強度ビーム（６×10¹⁷W/cm²）を実現することに成功しています(2012年12月プレスリリース^※5）。この成果はすでに多くのXFEL利用研究に貢献していますが、一方でこの強度でもなお観察できていない物理現象もあり、X線を更に微小に集光し集光強度を向上させた、複雑なシステムが必要でした。
更にXFELの光を微小領域に集めるためには、複数の「集光鏡」を利用することが考えられます。カメラ、顕微鏡などには、複数枚のレンズや鏡が用いられています。これは、光や写った像を縮小したり拡大したりすることで、観察される像の大きさや分解能、光のサイズを自由に制御できるからです。
今回、実際に４枚の超精密に加工された集光鏡を作製し、XFELの光を約50ナノメートルにまで集光することを目指しました。これまでにくらべて100倍（2桁）以上の集光強度を向上させることを意味します。

研究内容と成果
本研究グループは、反射面が楕円形状の４枚の集光鏡を用いた光学系を設計しました(図1)。XFELの光をナノメートルのサイズに集光にするためには、理論的にXFELの光を一度広げる必要がありました。そこで、この光学系では、XFELの光を、前段の２枚の集光鏡を用いて一度大きく広げ、広がったXFELの光を約70m後段に配置された２枚の集光鏡で受け集光します。XFELの光をほぼ全て反射させるためには、集光鏡には原子レベルの精度が必要であり、日本が持つ超精密加工技術により４枚の鏡が作製されています。
XFELの光を理想的に集光するためには、高精度な姿勢の調整が必要になるため、SACLAでは、高精度ミラー姿勢制御装置を開発しました。また、鏡の姿勢が完全でないとXFELの光の波の形に影響を与えます。そこで、XFELの光の波面の様子を瞬時に測定可能なX線波面計測システムを開発しました。図2は、SACLAにおいて測定された波の形の様子で、４枚の集光鏡の姿勢と角度を調整した結果、十分に集光可能なレベルにまでXFELの波の形が整っていることを確認しました。
集光実験の結果、理論通りの集光サイズ（縦方向：30ナノメートル、横方向：55ナノメートル）（図3）を確認しました。図4は、その時の予測されたXFELの光の集光強度です。X線レーザーの集光強度は、従来の集光システムを用いた場合と比較し、100倍（2桁）以上向上したことになり、10²⁰W/cm²を達成しました。この強度はX線領域の光において世界最高値になります。

今後の展開
それでは、今回実現した超強力なX線の集光ビームは何をもたらすのでしょうか？宇宙物理、高エネルギー物理や量子光学などの多くの物理分野において、理論的に予測されているものの、シグナルが弱いために未だ観察されていないさまざまな物理現象が多くあります。超強力なX線の集光ビームは、世界にさきがけて多くの新しい物理現象の観察を可能にすると期待されます。また、SACLAで研究が進められているたんぱく質など生命活動に重要な原子構造の観察や化学反応が起きる瞬間の超高速の原子の動きを観察するためには、照射X線の強度が必要になります。その観察される像の分解能（どこまで小さなものが見られるかの指標）や感度（どこまで少ないものを見られるかの指標）は集光強度で決定されます。照射X線の強度が大幅に向上したことは、その実現に大きく貢献するものです。
今後、本成果を応用することで10ナノメートル以下に集光することも視野に入ってきました。その結果、私たちが存在する空間において、基礎物理分野において古くから予言され、X線レーザーによりその実現が期待されている「極限状態」の創出^※7が可能になります。
これらの成果は新薬の開発、疾病の原因解明などにつながることで、ライフイノベーションへ貢献し、また、日常生活を支える優れた触媒や燃料電池などの高機能材料の開発を通じてのグリーンイノベーションにもつながります。本研究で開発した集光ビームは未来科学を支えるさまざまな先端分野に大きく貢献していくものと期待されます。
ここで紹介した研究は、文部科学省の科学研究費補助金 基盤研究(S)(23226004)、科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（CREST）研究課題「コヒーレントＸ線による走査透過Ｘ線顕微鏡システムの構築と分析科学への応用」（研究代表者：山内和人）、文部科学省のX線自由電子レーザー利用推進研究課題、X線自由電子レーザー重点戦略課題、文部科学省のグローバルCOEプログラム、及び、理化学研究所のSACLA利用装置提案課題の助成を受けました。

《参考図》

《用語解説・参考情報》
※1　X線自由電子レーザー（XFEL: X-ray Free Electron Laser）施設SACLA（さくら）
SACLAは SPring-8 Angstrom Compact free electron LAserに由来する施設の愛称。2012年3月に供用を開始。兵庫県の播磨科学公園都市にあり、理化学研究所が所有する。X線自由電子レーザーとは、X線領域の波長をもつレーザーのことである。一般的なレーザーとは異なり、物質中から真空中に抜き出された電子（自由電子）を使用してレーザー光を発生させる。XFELの光の特徴は、次の①から④の全ての性質を同時に備えている点である。
①物質を構成する最小単位である原子とほぼ同じ、微小なサイズ（100億分の1メートル）の波長をもつこと（X線であること）
②光の波が完全にそろっていること（レーザーであること）
③非常に高い輝度をもつこと（大型放射光施設SPring-8よりも10億倍の明るさ）
④超短パルス光であること（カメラのフラッシュのように光の時間幅が短い（100兆分の1秒）こと）

※2　2014年1月プレスリリース
X線レーザーで生きた細胞をナノレベルで観察することに成功
―生きた細胞を，ナノメートルの分解能で定量的に観察できる優れた手法を世界で初めて確立―
http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2014/140107/

※3　2014年2月プレスリリース
X線の2光子吸収の観測に成功
―数百ゼプト秒の間にほぼ同時に原子を2度打ち―
http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2014/140217/

※4　超高精度ミラー
EEM(Elastic Emission Machining)法と呼ばれる超精密加工技術で作製されている。導入されているミラーの形状は設計形状から原子の大きさで20個ほどの誤差しかなく、ほぼ理論通りに損失なくX線レーザーを反射することができる。

※5　2012年12月プレスリリース
世界最強X線レーザービームが誕生
―原子レベルの精度を持つ鏡により、１マイクロメートルの集光ビームを実現―
http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2012/121217/

※6　集光強度（10²⁰W/cm²）
集光ビームのエネルギーの大きさを示す指標として、W/cm²（ワット 毎 平方センチメートル）の単位が用いられる。これは、「１平方センチメートル」あたりに通過するエネルギー量を「ワット」で表すものである。例を挙げると10²⁰W/cm²は、一般家庭の100W電球の100京個分（1 ,000,000,000,000,000,000）のエネルギーを1センチメートルに集めたことに相当する極めて高いエネルギー密度の状態である。

※7　「極限状態」の創出
XFELの極めて明るい「光」、すなわち、「エネルギー」を利用することで、今までには実現できなかった超強力なエネルギーの状態を発生させることができる。これにより、未知の物理現象の発見や、基礎科学の開拓、通常は起こらない特異な物理現象（X線非線形光学）の理解につながる。例えば、宇宙空間における激しい反応状態を作り出すことや、物質・反物質が何もない空間から生まれる「真空崩壊」に迫ることができる。