大型放射光施設 SPring-8

図1．SPring-8における高分解能エックス線吸収分光実験の様子。量子ビームである入射エックス線を層状硫化ビスマス化合物に照射すると、吸収されるエックス線量に応じて蛍光エックス線が放出されます。このエックス線を更に分光結晶で分光することで高いエネルギー分解能の結果が得られます。

図2．鉛添加量9%の結果からは、温度50ケルビン（マイナス223℃）以下でエックス線吸収スペクトルの形が変化し、超伝導特性の良い鉛無添加の高圧合成した場合の結果と非常によく似ていることがわかりました。これは、超伝導の鍵となる電子の状態が、両者で非常によく似ていることを示しています。

図3．エックス線光電子分光実験からは、超伝導の鍵になる元素であるビスマスの原子価（価数）が鉛を添加することで変化していることが確認されました。実験結果は、図中の黄色塗りがビスマス3価、赤塗りがビスマス2価という2つの価数の状態が重ね合わせの状態として同時に物質の中に存在していることを示しています。

※1　層状硫化ビスマス化合物
2012年に首都大学東京（現 東京都立大学）の水口佳一氏らによって世界で初めて発見された日本発の超伝導体です。ビスマスという重い元素からなる特殊な結晶構造のために、従来の超伝導体とは違った性質を持っているのではないかと考えられており、現在でも盛んに研究が行われています。

※2　大型放射光施設 SPring-8
SPring-8は、兵庫県播磨科学公園都市にある理化学研究所の大型放射光施設で、利用者支援などは高輝度光科学研究センターが行っています。世界最高性能の放射光を生み出すことができ、固体物理、素粒子実験等の基礎科学研究からバイオ、ナノテクノロジーといった応用研究にまで幅広い研究が行われています。

※3　量子ビーム
光子、中性子、電子、イオンなどを同じ向きに細く絞ってビーム状に打ち出したものの総称です。色々なものに照射することで、原子や分子のような極微のスケールで調べたり、作ったりすることができる最先端の技術です。SPring-8では、量子ビームの中でも非常に強度の強い光子ビーム（放射光）を使って様々な実験を行うことができます。光子ビームのエネルギーによって、紫外線やエックス線、ガンマ線など異なる名称で呼ばれます。

※4　高分解能エックス線吸収分光
物質に照射したエックス線が吸収される現象を利用して、物質の電子の状態を調べる分析手法です。吸収される量は、電子が詰まっていない高いエネルギーの電子の状態を反映するため、後述のエックス線光電子分光と組み合わせて分析することで物質中の電子の状態を詳細に調べることができます。この実験手法は、物質の電子の状態を調べるために、基礎・応用研究を問わず広く用いられていますが、今回は、エックス線が吸収された後に放出される別のX線を検出することで、より高精度で電子の状態に関する情報が得られる「高分解能蛍光検出法」という最先端の手法が用いられ、新発見につながりました。

※5　エックス線光電子分光
アインシュタインの提唱した光量子仮説によって説明される「外部光電効果」を利用して、物質にエックス線を照射した際に物質外に飛び出す電子のエネルギーを分析する実験手法です。エックス線吸収分光と同様に、物質の電子の状態を調べる方法として広く用いられています。近年、産業利用にも急速に広がりつつある手法です。今回は、物質内部の電子の状態を調べることを目的として、通常よりエネルギーの高い「硬エックス線」を用いて実験が行われました。