京都大学(京大)は、大型放射光施設SPring-8を用いて、1000万分の1秒単位で原子・分子の運動の様子をより詳細に観測する手法を確立したと発表した。

同成果は、京都大学原子炉実験所の齋藤真器名 助教、増田亮 研究員、瀬戸誠 教授、高輝度光科学研究センター(JASRI)の依田卓 主幹研究員らのグループらによるもの。詳細は英国の学術誌「Scientific Reports」掲載された。

物質中では原子・分子はさまざまな運動をしており、この動きが物質の性質や機能を決めるうえで重要な役割をしていることがある。物質の構造に対しては、これまで多くの研究がなされてきたが、原子・分子の運動となると十分に調べられてはいない。その理由として、一般に原子・分子はとても小さく、しかもその運動はとても速いことが挙げられる。しかも、少し条件を変えると10億倍以上も速度が変わることもあるため、これらの動きを知るためには、原子・分子の運動を広い時間スケールで観測する必要があった。

しかし、これまでの手法では、原子・分子の運動のうち、1000万分の1秒前後の時間スケールで運動を調べることが技術的に困難であった。これまでに放射光から生成されたガンマ線を用いた準弾性散乱法が開発されてきたが、測定時間が長くかかる欠点があった。

同手法では、まず、SPring-8で生成された放射光を鉄の原子核に当てることで、方向性を持ったガンマ線(原子・分子サイズ程度の波長をもった単色性の高い光)を取りだす。このガンマ線を試料に当てると、ガンマ線は試料中の運動している原子と衝突することによってエネルギーが変化し、入射エネルギーを中心としたエネルギー分布の拡がりが起こる。この変化を観測できれば、原子・分子の運動の様子がわかる。

エネルギー分布の広がりを調べるため、測定したい物質に当てエネルギー変化を受けたガンマ線と、そのガンマ線とはエネルギーの異なった単色ガンマ線とを干渉させ、強度の時間変化つまり「うなり」を調べる。このとき、試料の運動によって一方の赤色のガンマ線のエネルギー幅が拡がった場合には、周波数の異なる音が混ざるような状況になり、「うなり」が変化して観測される。このような「うなり」現象を利用し、原子・分子の運動状態を効率よく観測することが可能だ。

今回の研究では、この手法を改良し、複数の色をもつガンマ線を同時に用いて観測することで、測定の精度が上がることを実証。今回開発した手法を用いることで、条件によっては10倍以上迅速に、かつこれまで以上に高精度に1000万分の1秒単位の原子・分子の運動を直接測定することができるという。

今回の成果を受けて研究グループは、今後の展開について、さらに多色のガンマ線を用いるなど装置の性能をさらに向上させることにより、より迅速に精度よく原子・分子の運動性を調べることができる装置を構築したいとコメントしている。