名工大ら,白色中性子線ホログラフィーで超精密原子像を取得

名古屋工業大学,茨城大学,広島市立大学,高輝度光科学研究センター,熊本大学,日本原子力研究開発機構,J-PARCセンター,高エネルギー加速器研究機構,東北大学らは共同で,「白色中性子線ホログラフィー」の実用化に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

現在,物質を形成する原子を観察する主流の手法であるX線回折法や電子顕微鏡法では,微量な添加元素の観察や,その添加によって周囲の構造がどう変わったかの観察はできず,また,原子番号の小さい元素(軽元素)は検出できない。一方,中性子線は軽元素も重元素と同じ感度で計測することができるため,中性子線を用いた不純物構造の評価技術が期待される。

中性子線は波としての性質も有し,その波長も原子の大きさと同程度であるため,原子配列を記録できる中性子線ホログラムを測定できる。しかしながら,利用できる中性子源からの強度が極端に低いため,原子像の精度が低く,不純物構造の観測は難しかった。

そこで研究グループでは,J-PARCの白色中性子源に着目した。白色中性子線は波長ごとに,試料に到達する時間が違うという特徴がある。これによって,一度の走査で合計100波長程度のホログラムを測定できる「白色中性子線ホログラフィー」を開発することに成功した。非常に多くのホログラムから構成される多重波長ホログラムは立体的な形状を有し,元の原子配列を劣化なく正確に再現することが可能となる。

「白色中性子線ホログラフィー」の高再現能力を,蛍石(CaF2)単結晶にユウロピウム(Eu)を1%程度添加した結晶の測定を行なうことによってデモンストレーションしたところ,蛍石中のユウロピウム周辺の原子構造の詳細を観測することに成功した。また,余分なプラス電荷を打ち消すために,-1価のフッ素原子があるべきでないところに入り込んでいることも分かった。

これにより,電子状態の解明などが進み,放射線による発光現象との関連性が明らかになると期待されるほか,将来の高性能放射線検出器の開発にもつながるという。

今回の「白色中性子線ホログラフィー」の実現により,添加元素が物質に与える影響を原子レベルで詳細に観測することができるようになった。さらに,フッ素という軽元素を高精度に可視化できたことにも大きな意義がある。軽元素は環境材料,エネルギー材料において重要な役割を果たしていることが知られており,今後,このような機能材料における軽元素の役割も解明できるとしている。

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