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軽元素を含む物質の精密な原子の姿が明らかに―J-PARCの白色中性子線を用いて:名古屋工業大学/茨城大学/広島市立大学/熊本大学/日本原子力研究開発機構/J-PARCセンター/高エネルギー加速器研究機構ほか

(2017年8月19日発表)

ホログラフィーの原理

 名古屋工業大学の林好一教授をはじめ、日本原子力研究開発機構、J-PARCセンター、高エネルギー加速器研究機構などの研究者らによって、「白色中性子線ホログラフィー」が世界で初めて開発された。

 現在の高度科学技術社会では、スマホやPCなどのように高性能の半導体や電池を使ったものに代表される高性能材料が活躍している。しかしその技術は進化を続けており、さらなる高性能化のために原子のレベルでその材料の構造を知る必要がある。これまではX線を用いたり、電子顕微鏡で調べるなどという方法が用いられ成果を上げてきたが、それにも限界があるため今回の研究では「白色中性子線」が用いられた。

 ところでホログラフィーとは物体を三次元的に記録する方法で、例えば偽造防止のため一万円札やクレジットカードに印刷されており、既に社会に広く使われている技術。一般的な原理は次のようなもの。

 図のハートの形をした物体に,レーザー光線のようによく干渉する光を当てる。するとレーザー光線は散乱される。そのときの波が物体波。この物体波に光源から出た光を干渉させ記録させたものがホログラムとなる。このホログラムに再生するための光を当てると、最小のハートの形をした物体の3D映像が得られる。

 レーザー光線のかわりに波長が原子と同じくらいの長さのX線や電子線を用いると、物質中の三次元での原子の並び方が分かる。しかし、これらの光源は短波長だったため、どうしても不鮮明な映像になっていた。

 この問題について、これら光源を用いながら解決しようという試みも続けられてきたが、本研究グループではJ-PARCの白色中性子線を使うことで、このような問題を解決することに成功した。

 白色中性子線における白色とは、(白色光:様々な波長の光を含んでいること)つまり単色光源ではなく、様々な波長の中性子線を含んだ光源でホログラムを作ろうということ。

 また、水素、リチウム、酸素などを軽元素と呼ぶが、これらの元素についても中性子線は感度が良いことも特徴となり、このたび世界ではじめて「白色中性子線ホログラフィー」の開発に成功した。