広報活動

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2013年9月24日

独立行政法人理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター
国立大学法人京都大学
国立大学法人東京農工大学

X線自由電子レーザーパルスの特性を生かした高効率X線吸収分光法の開発

-超高速の化学反応を追跡するフェムト秒時間分解でのX線吸収分光が可能―

スペクトロメーター

透過型回折格子によって分割したX線ビームと、楕円ミラー、シリコン分光結晶、X線CCDカメラを組み合わせたスペクトロメーター

原子の電子構造や幾何構造を観察するための有効な方法の1つに「X線吸収分光法」があります。特定の元素に起きるX線の吸収を観測し、注目する原子周辺の状態を知るための実験手法です。例えば、化学反応が起きる時間と同じくらい高速に測定できれば、化学反応の全容を理解することが可能なのです。しかし、化学反応初期の超高速現象を追跡するには、パルス幅の短いX線を用いて、あたかも“フラッシュをたいて写真を撮るように”反応の一瞬を切り出して観察する必要があります。しかし、従来の放射光はパルス幅の短縮に限界があり、化学反応でみられる数フェムト秒(1フェムト秒は1000兆分の1秒)スケールの高速現象の追跡は困難でした。

理研の研究者を中心とする共同研究グループは、理研が保有するX線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」を使って、新しいX線吸収分光法の開発に取り組みました。従来のX線吸収分光法では、X線のエネルギーを変えながら試料に照射し、試料の前後のX線強度の比をとって吸光度(入射光強度と透過光強度の比)を計測します。これに対してXFELでは、放射光の1万分の1の10フェムト秒程度の時間幅のX線パルスを発生できる光源で、XFELの短パルス性を活かすには、高効率な分光法の開発が必要です。

共同研究グループは、透過型回折格子でXFELを2本のX線ビームに分割し、広い波長範囲を一括で計測する手法を考案しました。2本のX線を、それぞれ参照X線と試料透過X線とし、そのスペクトルをX線パルスごとに同時計測することによって、吸収スペクトルを算出する方法です。実験では、一方のX線の光路にだけ試料を置き、試料を通過するX線と通過しないX線の2種類のスペクトルを計測しました。その結果、広範な波長範囲の吸収スペクトルを一括計測することができました。得られた吸収スペクトルは、従来法で測定した参照用の吸収スペクトルとよく一致しており、正確に吸光度を計測できることが分りました。

XFELと同程度のパルス幅を持ち、化学反応のトリガーとして使える光学レーザーと今回開発した手法を組み合わせることによって、フェムト秒の時間スケールで反応途中の一瞬を切り出すX線吸収分光が可能になります。今後、超高速現象の観測に、この手法が広く応用されると考えられます。

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
グループディレクター 矢橋 牧名 (やばし まきな)