自然科学研究機構分子科学研究所／総合研究大学院大学の松井文彦教授、解良聡教授、自然科学研究機構分子科学研究所の萩原健太特任研究員（IMSフェロー）、中村永研技術職員、牧田誠二技術職員、大阪大学 産業科学研究所の菅滋正招へい教授、田中慎一郎准教授は、 世界初となる２つのビームラインからの放射光を利用できる光電子運動量顕微鏡実験ステーションを分子科学研究所極端紫外光研究施設（UVSOR）で開発しました。既存の真空紫外光ビームラインBL7Uに分岐を新設することで、軟Ｘ線ビームラインBL6Uからの光が試料表面に斜入射で利用する光電子運動量顕微鏡実験ステーションで、BL7Uからの光も直入射で利用できるようになりました。

この世界初の高性能装置により、①斜入射軟Ｘ線による高感度元素選択的測定、②直入射真空紫外光による高対称光電子分光測定が可能になりました。特に、直入射配置での光電子分光は、現在利用できるのは、UVSORの本装置のみです。本装置を駆使することで、物性をつかさどる電子のふるまいのより包括的かつ高精度な解析、特に、価電子帯軌道の解析に重要な進歩をもたらしました。

本成果は2024年4月15日にJournal of Synchrotron Radiation誌でオンライン公開されました。

現代の科学技術では、物性をつかさどる物質の電子のふるまいを詳細に理解することが、新しい物質やデバイスの開発、既存の材料の性質を改善するために重要です。これまでの研究では、光電子分光が、物質内の電子のふるまいを解析するため手法として用いられてきました。UVSORでは、最先端の光電子分光測定装置である「光電子運動量顕微鏡」が2020年に導入され、マイクロメートルスケールでの微小な領域での電子のふるまいを観察することが可能になりました。

本研究では、UVSORにおいて世界初となる2つのビームラインからの放射光（真空紫外光と軟X線）を同じ試料に当てることができる光電子運動量顕微鏡実験ステーションを開発しました。既存の真空紫外光ビームラインBL7Uに分岐を新設することで、軟Ｘ線ビームラインBL6Uから光が試料表面に斜入射で利用する光電子運動量顕微鏡実験ステーションで、BL7Uからの光を試料表面の真正面から照射（直入射）・利用できるようになりました。

2つのビームラインの併用化により、①斜入射軟Ｘ線による高感度元素選択的測定、②直入射真空紫外光による高対称測定を自在に選択・同時利用した光電子分光実験が可能になりました。この光源の自由度を駆使することで、電子のふるまいの多角的な解析を実現しました。特に、現在利用できる直入射配置での光電子分光は、世界中でもUVSORの本装置のみであり、開発が期待されてきた技術です。直入射配置での、対称性と光の偏光依存性を利用した遷移行列要素解析により、価電子帯電子の原子軌道情報への直接アクセスが可能となりました。また、光電子運動量顕微鏡では、飛び出すすべての光電子を分析できるので、原子軌道の完全解析に近づきました。本研究では、Au(111)表面の価電子帯分散に遷移行列要素解析を適用しました。

本研究によって開発された２ビームライン併用光電子運動量顕微鏡実験ステーションは、世界初の装置であり、今後も本装置を用いた世界に先駆けた独創的な研究をUVSORで展開していきます。本研究の適応例にとどまらず、光源の自由度を駆使したまったく新しい分析法の開拓の可能性を秘めた装置であり、さらなる測定技術の革新も目指します。

高精度な価電子帯の原子軌道解析は、理論計算との比較も容易になります。電子状態研究の進展は、物性物理学、分子科学、材料科学の発展にとどまらず、物質の基本的性質や新規機能の開発に直結する重要な知見に結びつきます。これにより、未来のナノテクノロジーや量子デバイスの開発に貢献し、エネルギー、情報通信、環境など幅広い分野での21世紀を先導する技術革新を促進することが期待されます。