東京大学と理化学研究所は、X線自由電子レーザー（XFEL）の単一パルスを用いて、試料の各位置を透過した軟X線のスペクトルを同時に取得するフェムト秒軟X線ハイパースペクトル顕微鏡を開発、実現に成功した（ニュースリリース）。
軟X線分光分析は軽元素や遷移金属を特異的に見ることができる特徴を持つことから、これらの元素の化学的状態を明らかにする有力な手法。しかし、電池材料、触媒、光機能材料、生体試料などでは、反応、劣化、相変化が試料内で一様に進むとは限らない。これら試料には全体の平均値だけでなく微小領域ごとの違いが重要であり、機能の理解や性能向上のために場所ごとの分光情報が必要とされている。特に、フェムト秒からピコ秒の短時間で進む変化や、一度の照射・反応で状態が変わってしまう試料では、同じ測定を何度も繰り返して画像を作る従来法には限界があった。このような対象を調べるために、一度の照射で多点の分光情報を取得する非走査型の軟X線分析技術が求められていた。
研究グループは、軟X線XFELの単一パルスを活用したフェムト秒軟X線ハイパースペクトル顕微鏡を開発した。計測システムは、研究グループが培ってきた高精度Wolterミラー顕微鏡を基盤に、今回新たに設計・作製したマルチ開口回折格子を組み合わせたもの。Wolterミラー顕微鏡は、広いエネルギー範囲の軟X線像を色収差なく拡大できる反射型光学系であり、軟X線XFELのフェムト秒単一パルス計測に適した全視野顕微鏡として開発されてきた。
今回、この顕微鏡で拡大した2次元像を、417個の微小な開口と回折格子を集積したマルチ開口回折格子に導入した。この素子は、東京大学武田先端知スーパークリーンルームにおいて半導体微細加工技術を用いて作製したもので、拡大像を多数の空間チャンネルに分け、それぞれを同時に分光して2次元検出器に記録する。これにより、単一の軟X線レーザーパルスから、試料の各位置を透過した軟X線のスペクトルを一括取得することが可能になった。これは、通常の顕微鏡像に「各場所の色（エネルギー）ごとの吸収情報」を重ねるような計測であり、試料内部の成分や化学状態の違いを位置ごとに調べることにつながる。
兵庫県のX線自由電子レーザー施設SACLAの軟X線ビームラインBL1での実証実験では、視野内の多数の位置でスペクトルを同時に取得し、XFELビーム自体のスペクトルがショットごとに変動するだけでなく、空間的にも不均一であることを可視化した。さらに、窒化ケイ素（SiN）薄膜を試料として、吸収端（104 eV）近傍で試料の有無に応じた透過スペクトルの変化を100フェムト秒以下の時間幅を持つ単一パルスで捉えた。
今回の成果は、走査を必要としない高速軟X線分光イメージング手法として、将来的な材料・デバイスの局所分析、触媒反応や劣化過程の解析、細胞の損傷を抑えた化学状態マッピング（関連情報②）、XFEL利用実験のためのビーム診断につながる基盤技術となる。今後、光源帯域、検出器、分光素子の高性能化を進めながら、不均一な試料の化学状態をフェムト秒スケールで捉える時空間イメージングへの展開を目指していくとしている。
