阪大ら,X線レーザーを10nm以下まで集光

大阪大学,理化学研究所,高輝度光科学研究センターは,X線自由電子レーザーを10nm以下まで集光可能な多層膜集光鏡の開発に成功した(ニュースリリース)。

X線自由電子レーザー(XFEL)は,X線とレーザーの性質を併せ持った最先端の光で,それ自体が非常に強いX線パルスを生み出すことができるため,非線形現象の観察やたんぱく質1分子の撮影など,強いX線が必要不可欠な特別な実験に利用されている。

日本のXFEL施設である「SACLA」ではこれまで,日本の得意分野である精密な集光鏡をベースとした様々なX線集光システムを精力的に開発してきたが(1μm集光装置,50nm集光装置),それらはX線の全反射現象を用いたX線集光鏡であったため,すでに理論的な集光の限界に達しており,これ以上小さくX線を集光させることは不可能だった。

今回,研究グループは多層膜集光鏡を用いた。多層膜鏡は全反射鏡よりも高い精度で作製する必要があり,具体的には1nmを下回る精密さで鏡を仕上げなければならない。そこで,光の干渉作用を利用して物の長さや形を精確に測定できる装置「X線干渉計」によって鏡の形を測定し,「差分成膜法」にてその形を修正する手法を確立した。

X線干渉計によって集光鏡が作り出すX線波面を計測することで,鏡の形を正確に決定することができる。通常の可視光干渉計に比べて波長の短いX線を用いるX線干渉計では,その精度を向上させることができる。

研究グループは,SACLAのビームライン(BL)3にて回折格子ベースのX線干渉計を構築し波面を計測した。コンピューター制御できるマグネトロンスパッタ成膜装置を開発し,局所的に成膜量を微調整しながら鏡の上に白金を成膜した。これにより原子レベルの精度で形状を修正できた。

実際にX線鏡を作製するデモンストレーションを実施した結果,1nm以下の精度で形状を修正することで,波面収差の非常に少ない多層膜集光鏡の開発に成功した。またコンピューターシミュレーションによって作製した鏡の集光性能を予想したところ,約6nm(半値幅)までXFELを集光できることがわかった。現在のところこの値はXFEL集光における世界記録という。

研究グループは今回の研究により,医学・創薬に欠かせないたんぱく質などの立体構造を解明することにも貢献し,これによって疾病の原因究明や新薬の開発につながるものと期待されるとしている。

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