Visualizing light elements by attosecond X-ray scattering

• Project/Area Number: 22KK0233
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 井上 伊知郎 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 研究員 (30783401)
• Project Period (FY): 2023 – 2024
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000)
• Keywords: X線自由電子レーザー / 構造解析 / アト秒科学 / 電子加速器 / X線構造解析 / アト秒

Outline of Research at the Start

本研究では、従来のX線構造解析法では困難であった「軽元素の可視化」を、ナノサイズに集光したアト秒X線自由電子レーザー(XFEL)を用いることで実現する。基課題で開発中のX線ナノ集光光学系に、ナノ集光したアト秒XFELを組み合わせて試料からのX線散乱を測定する。このような高強度XFELの照射下では、原子番号が大きな元素の散乱能は光電効果で作られた内殻ホールのために著しく低下するため、軽元素からの散乱信号を相対的に増幅することができる。この原理を用いて軽元素の密度分布や空間配置を決定することによって、「X線構造解析法では軽元素が見えづらい」というこれまでの常識を覆すことを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、従来のX線構造解析法では困難であった「軽元素の可視化」を、ナノサイズに集光したアト秒X線自由電子レーザー(XFEL)を用いることで実現することを目的としている。基課題で開発中のX線ナノ集光光学系に、ナノ集光したアト秒XFELを組み合わせて試料からのX線散乱を測定する。このような高強度XFELの照射下では、原子番号が大きな元素の散乱能は光電効果で作られた内殻ホールのために著しく低下するため、軽元素からの散乱信号を相対的に増幅することができる。この原理を用いて軽元素の密度分布や空間配置を決定することによって、「X線構造解法では軽元素が見えづらい」というこれまでの常識を覆すことを目指している。
2023年度は、ハンブルク大学の訪問研究員としてEuropean XFELでのアト秒X線パルスのコミッショニングに参加し、測定されたスペクトルの解釈や光診断技術についての助言を行った。現地の加速器研究者と議論やシミュレーションを行った結果、パルス幅が約200アト秒のXFELが安定して生成されていることが確認できた。得られた実験とシミュレーションの結果は、近日中に学術論文として投稿予定である。
また、基課題で作成した集光ミラーの試験実験についてEuropean XFELとLCLSの研究者らと議論を行ったほか、これらの施設におけるアト秒XFELを利用した実験について研究代表者が課題代表者として課題申請を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

LCLSやEuroXFELでのアト秒XFELを用いた実験に向けて、現地のビームラインサイエンティストやサイエンスダイレクターと議論を行った。その結果、両方の施設において、基課題で開発中のX線ナノ集光光学系を用いてXFELを集光するテスト実験を行うことが決まった。また、研究代表者がEuropean XFELに申請していた実験提案が採択され、2024年10月に実験がスケジュールされることになった。2024年度の実験に向けて着実に足場を固めることができている。

Strategy for Future Research Activity

2024年内にLCLSおよびEuropeanXFELで基課題で開発したX線光学素子を用いてナノ集光実験を行う。また、2024年10月にEuropean XFELでアト秒XFELを利用した軽元素の可視化の実験を行う。並行して、ハンブルク大学Center of Free-Electron Laser Science（CFEL)の研究者らと高強度アト秒XFELを照射した際の物質の振る舞いやX線散乱強度の変化についてのシミュレーションを用いた研究を行う。

Research Products

• [Journal Article] Extreme focusing of hard X-ray free-electron laser pulses enables 7 nm focus width and 1022 W cm^-2 intensity (2024)
  • Author(s): Yamada Jumpei、Matsuyama Satoshi、Inoue Ichiro、Osaka Taito、Inoue Takato、Nakamura Nami、Tanaka Yuto、Inubushi Yuichi、Yabuuchi Toshinori、Tono Kensuke、Tamasaku Kenji、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Ohashi Haruhiko、Yabashi Makina、Yamauchi Kazuto
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: - Issue: 7 Pages: 685-690
  • DOI: 10.1038/s41566-024-01411-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Femtosecond Reduction of Atomic Scattering Factors Triggered by Intense X-Ray Pulse (2023)
  • Author(s): Inoue Ichiro、Yamada Jumpei、Kapcia Konrad J.、Stransky Michal、Tkachenko Victor、Jurek Zoltan、Inoue Takato、Osaka Taito、Inubushi Yuichi、Ito Atsuki、Tanaka Yuto、Matsuyama Satoshi、Yamauchi Kazuto、Yabashi Makina、Ziaja Beata
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 131 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.163201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seeded stimulated X-ray emission at 5.9keV (2023)
  • Author(s): M.D.Doyle, A.Halavanau, Y.Zhang, Y.Michine, J.Everts, F.Fuller, R.Alonso-Mori, M.Yabashi, I.Inoue, T.Osaka, J.Yamada, Y.Inubushi, T.Hara, J.Kern, J.Yano, V.K.Yachandra, N.Rohringer, H.Yoneda, T.Kroll, C.Pellegrini, and U.Bergmann
  • Journal Title: Optica Volume: 10 Issue: 4 Pages: 513-519
  • DOI: 10.1364/optica.485989
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling Femtosecond Reduction of Atomic Scattering Factors in X-ray-Excited Silicon with Boltzmann Kinetic Equations (2023)
  • Author(s): Ziaja Beata、Stransky Michal、Kapcia Konrad J.、Inoue Ichiro
  • Journal Title: Atoms Volume: 11 Issue: 12 Pages: 154-154
  • DOI: 10.3390/atoms11120154
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pair Distribution Function from Liquid Jet Nanoparticle Suspension using Femtosecond X‐ray Pulses (2023)
  • Author(s): Stockler Lise Joost、Christensen Rasmus Stubkjar、Klove Magnus、Bertelsen Andreas Dueholm、Borup Anders B?k、Krause Lennard、Takahashi Seiya、Fujita Tomoki、Kasai Hidetaka、Inoue Ichiro、Nishibori Eiji、Iversen Bo Brummerstedt
  • Journal Title: ChemPhysChem Volume: 24 Issue: 23
  • DOI: 10.1002/cphc.202300407
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-thermal structural transformation of diamond driven by x-rays (2023)
  • Author(s): Heimann Philip、Hartley Nicholas J.、Inoue Ichiro、Tkachenko Victor、Antoine Andre、Dorchies Fabien、Falcone Roger、Gaudin J?r?me、H?ppner Hauke、Inubushi Yuichi、Kapcia Konrad J.、Lee Hae Ja、Lipp Vladimir、Martinez Paloma、Medvedev Nikita、Tavella Franz et al.
  • Journal Title: Structural Dynamics Volume: 10 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/4.0000193
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Nonlinearity in X-Ray Scattering at High Intensity (2023)
  • Author(s): Ichiro Inoue
  • Organizer: Gordon Research Conference, X-ray Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] RIKEN research
  • URL: https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/rr/20240319_2/index.html
• [Remarks] X線回折に潜む非線形性の発見
  • URL: https://www.riken.jp/press/2023/20231018_1/index.html