京都大学，東北大学，広島大学，理化学研究所及び高輝度光科学研究センターによる合同研究チームは，原子のクラスターにX線自由電子レーザ（XFEL）施設 SACLAから供給される非常に強力なX線を照射すると，ナノメートル程度の大きさのプラズマ（ナノプラズマ）を生成することを見出した（ニュースリリース）。 

XFELを利用することで，超高速・超微細な現象を見ることが出来ると期待されているが，そのためには超強力X線を物質に照射した時に，物質そのものに何が起こるのかを理解することが重要になる。研究では原子の集合体である原子クラスターを試料として，XFEL照射によりどのような応答を示すかを調べた。
 
X線を原子クラスターに照射すると，クラスターを構成する原子の深い内殻軌道から電子が放出されて，原子はエネルギーが高く不安定な原子イオンになる。この不安定な原子イオンは比較的浅い軌道の電子を放出することで安定化し，多価原子イオンになる。

SACLA の非常に強力なX線パルスを照射すると，単一クラスター内の複数の原子においてこのような過程が起こり，たくさんの電子を放出する。電子は負の電荷を持つので，残ったクラスターは強く正に帯電していく。この過程が進行していくと，時間的に遅れて原子から飛び出した電子のうち，エネルギーが低い電子は正の電荷に引き寄せられてクラスターからは飛び出せなくなっていく。その結果，微小空間内に正の電荷と負の電荷が混在するナノプラズマが生成することが予想されていた。

研究では，アルゴン原子クラスターを真空中に導入して，SACLA BL3 で得られる超強力Ｘ線パルスを照射し，放出される電子の運動エネルギー分布を測定した。アルゴン原子の最も深い内殻軌道の束縛エネルギーは 3200電子ボルトなのに対して，Ｘ線光子のエネルギーは 5000電子ボルト。従って，最初に飛び出してくる電子はもっぱら2000～5000電子ボルトの超高速電子で，クラスターから飛び出せなくなることはない。

このとき低エネルギーの遅い電子に注目すると，孤立したアルゴン原子にＸ線を照射する場合には 200電子ボルト付近に山が観測されるが，研究で観測したアルゴン原子クラスターからの電子放出の場合には，200電子ボルトから低エネルギー側の領域が平らになることが分かった。このことはクラスターに生じた強い正の電荷により電子が減速されていることを示している。

さらに電子が減速されると，クラスターから飛び出せなくなり，ナノプラズマが生成される。その後，一度は束縛された電子も蒸発するように放出されることがあり，エネルギーの増加とともに単調に収量が減少する低エネルギー電子として観測される。

また，観測結果をよく再現する理論計算から，Ｘ線照射によって放出される電子の中でも比較的低エネルギーの電子とクラスター内の原子との衝突により放出される2次電子がナノプラズマ生成に主に寄与していることも分かった。この2次電子放出は物質にＸ線を照射した時にごく一般的に起こる現象。 

今回の研究は，SACLA の強力なＸ線パルスを原子の集団に照射すると，Ｘ線のエネルギーや原子の種類によらず低エネルギー2次電子を大量に放出し，この2次電子が束縛されてナノプラズマを生成する可能性が常につきまとうことを示すもの。このことは，SACLA の強力なＸ線パルスを用いた物質の構造解析を行なう上で，ナノプラズマが生成される反応素過程を正確に知り，考慮したうえで解析を行なうことが必要不可欠であることを示している。

研究グループでは，超強力Ｘ線と物質との相互作用に関する問題をひとつひとつ解決していって初めて，SACLA を用いて，これまで見えなかった超微細・超高速な現象を見ることも可能になると期待している。

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