原子の瞬間移動のサブ・ナノメートルの分解能での実時間観測に成功 〜X線自由電子レーザー「SACLA」の有効性を実証〜

2016/02/13

筑波大学数理物質系の長谷宗明准教授らの研究チームは、非常に強力な極短X線パルスを発生するX線自由電子レーザー施設SACLAを用いてX線回折実験を行い、現在使用されている記録型DVDや次世代の不揮発性固体メモリーとして期待されている相変化メモリーの記録材料において、電子励起により駆動された原子の瞬間移動をサブ・ナノメートル以下の分解能で観測することに成功しました。

本研究チームは、超短パルスレーザー光を励起光として、相変化メモリー用記録材料(Ge 2 Sb 2 Te 5 単結晶薄膜)に照射し電子励起することにより構造変化を引き起こし、この後の原子運動の様子をSACLAのXFELパルスを用いて1 ps（ピコ秒）以下の時間分解能でX線回折撮影しました。その結果、原子の運動は励起直後の数psの間は原子の結合が切れて局所的に構造変化するだけですが、20 ps後には温度上昇も加わり、約2 pm（ピコメートル）だけ格子面間隔が膨張した新しい構造に変化することを明らかにしました。またこの原子変位した構造は、100 ps以上も持続し、その後約1.8 ns（ナノ秒）で緩和して元に戻ることもわかりました。

図 （上）ポンプ—プローブ型時間分解X線回折の概要を示す。近赤外励起パルス（赤色）照射後、時間遅延（τ）をおいて、XFELパルス（青色）を照射し、その回折ピークの変化をマルチポートCCD（MPCCD）で取得する。図中、wは試料の回転を示し、Q z は散乱ベクトルを示す。（下） (I) 〜(III)はフェムト秒パルス励起でGe 2 Sb 2 Te 5 単結晶に誘起される超高速相転移過程をムービーとして表す。Ge原子は緑色、Te原子は黄色、Sb原子は紫色で示す。

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