熊本大ら,イオン価数を区別して原子構造を解析

熊本大学,名古屋工業大学,奈良先端科学技術大学院大学,広島大学,高輝度光科学研究センター(JASRI)らの研究グループは,放射光X線を利用した蛍光X線ホログラフィー(XFH)を用いた新たな観測技術を開発した(ニュースリリース)。

蛍光を不純物の発見などに適用することはよく行なわれている。また,不純物の種類と濃度を,X線を照射することにより観察する蛍光X線分析法という方法があり,この方法は放射光を用いた犯罪捜査,例えば和歌山カレー事件などで話題になった。

XFH法は,蛍光X線分析法をさらに発展させた方法で,蛍光X線の強度がまわりの原子の並び方によってわずかに変化することを利用している。したがって,ある原子のまわりの原子が決まった位置に常に存在していれば,まわりの四角形の原子イメージを明瞭に得ることができるし,それ以遠の原子の列についても明瞭に再現することができる。

これには回折実験で必須条件である,不純物原子が長距離にわたって決まった位置にあること(並進対称性)は不要なので,ある決まったサイトではあるけれどもランダムに存在する不純物の位置の解明には極めて有効な手段となる。

今回の成果の大きなポイントは,照射するX線のエネルギーを適切に選ぶことにより,同じ元素であっても価数の異なるイオンを選択して蛍光X線を放出させることを利用したことにある。

ある元素の深いエネルギー位置(内殻)にある電子にある値を超えるエネルギーのX線を照射すると,その電子は原子の外部に放出される。このしきいとなるエネルギーを吸収端と呼び,そのエネルギーは各元素に固有の値を持つ。吸収端付近のX線吸収スペクトルには,その元素の持つピークや肩などの特徴的な形が存在し,それは価数などの電子状態と大きく関わっている。

したがって,その特徴的なエネルギーのX線を照射すれば,狙った電子状態(価数)を持つ原子からだけ蛍光X線が発生するため,そのまわりの原子の並び方のみが3次元原子イメージとして再生される。

今回の研究では,この手法の有効性を実証するために,価数が変化することがわかっている価数転移物質YbInCu4を研究対象とし,大型放射光施設SPring-8のBL39XUビームラインを用いて,3価と2価の価数の違いによる原子の並び方が大きく異なることを,3次元原子イメージとして実験的に初めて明らかにした。

この手法は,今後多くの機能性材料の価数に関する物性の理解に新たな指針を与えるものとして期待されるという。例えば,価数の変化がその機能に大きく関わっていると推察される,光合成タンパク質の機能の解明に大きく貢献するとしている。

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