2021 Fiscal Year Research-status Report
Formation of edge state and optical Tamm state inside crystalline specimen using spatial phase modulation of X-ray beam
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20K03824
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
香村 芳樹 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, チームリーダー (30270599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤田 桂 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 (40462692)
大和田 謙二 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, グループリーダー (60343935)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 周期性の破れた界面 / 積層欠陥 / ダイヤモンド結晶 / 運動学的回折 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度までは、本研究計画の当初の計画通り、位相回折格子からタルボ距離だけ下流で、ステップ関数的な周期位相を有する構造光を作り完全結晶に照射し、その結晶において運動学的な回折を起こし、構造光の位相境界でのトポロジカルな特異性の発現を観察したいと考え実験を行なってきた。しかし、斜入射でのブラッグ反射において、X線は、異なる深さ、異なる反射光軸上に反射を起こし、反射光、透過光、共に、境界での効果がボケ、当初予定した特異性の観察が難しいことが判明した。
今年度は、発想の転換をし、結晶としてほぼ完全結晶だが、積層欠陥を有するダイヤモンド結晶と平面波X線との相互作用を調べた。実験の結果、格子面が平行性を保った積層欠陥の内外において、積層欠陥以外では見られないペンデル縞が観察されることを見出した。この効果は、運動学的な回折条件のもとで、結晶の原子配列の周期性の破れる界面においては、境界条件に特異性が生じていることに起因し、周期性の破れと密接に関係する現象であると解釈できる。ペンデル縞は、楔形結晶で観察されるが、平板結晶で生じる位相項を可視化した実験結果を、世界で初めて、上記の様な解釈で説明できることを示した。
上記成果は、他の波長領域で実証された研究成果と同様、積層欠陥界面に照射されたX線が、周期性が乱れた界面に局在する可能性を示唆している。この類推が正しければ、原子間距離よりも狭い極限の微小領域にX線が局在することになり、結晶試料中の微小領域を調べる新たな研究手法となりうる重要な成果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は、結晶表面に対し界面が斜めに傾いた積層欠陥を有する板状のダイヤモンド完全結晶に平面波X線を照射し動力学的回折を起こした。C(100)面の結晶表面に対し、C(111)面の積層欠陥の試料を用いたところ、透過トポグフラフィー像において、積層欠陥を透過するX線にはペンデル縞が生じた。この解釈は以下の通りである。結晶内を伝わる二波の重ね合わせで近似されるX線は、積層欠陥界面に到達すると、原子配列の周期性が一旦破れ、表面とは異なった向きの界面による異なる境界条件によって、四波に分かれ、その内、透過振幅の大きな最初と違った二波が伝搬し、その干渉効果によって、通常の楔型の結晶で見られるペンデル縞が生じるという訳である。この干渉効果は、本計画で予定した周期構造の破れた界面で生じる現象であることが分かった。
上記の成果の副産物として、結晶の周期性の破れ、つまり、結晶格子の歪みによって、X線がマクロな量だけ、結晶内で変位を起こす、X線横滑り現象を利用した新しい計測法が提案できた。X線横滑り現象では、X線の位置の変位が生じる一方、その運動量が変化しないという性質が知られている。ラングカメラ法の様に、スリットで入射位置を制限して照射すると、X線横滑り現象によって、入射スリット位置から外れた位置にX線は偏向を受ける。このため、結晶のDarwin幅に入りきらない大きな角度ずれを有する成分がブラッグ反射を起こさず透過する場合には排除することで、ペンデル縞などの位相効果を高い可視度で観察できるユニークな方法が実現された。
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| Strategy for Future Research Activity |
赤外線を周期性の乱れを有する媒体に当てると、乱れを生じた界面での赤外線の局在と密接に関連して、透過率は非常にシャープな角度依存性を示すことが、理論及び実験研究で示されている。我々は、同様に積層欠陥界面で照射されたX線は、周期性が乱れた界面に局在するのではないかと類推している。この類推が正しければ、原子間距離よりも狭い極限の微小領域にX線が局在することになり、これを観察したいと考えている。局在したX線を結晶外から見るための手法を開発しないとならない。この研究によって、薄い界面からの信号を検出し、界面に存在する不純物などの特性や、積層欠陥生成のメカニズム解明などに役立てたい。また、界面に局在するダメでなく、海面を伝播する原子レベルの導波路が実現できるか検討を進めたいと考えている。
一方、スリットで入射位置を制限して照射するラングカメラ法は、X線横滑り現象を併用することで、高感度化が可能であり、新しい実験手法としての利用が期待できる。つまり、Darwin幅に入りきらない大きな角度ずれを有する成分がブラッグ反射を起こさず透過する場合には排除し、結晶格子の乱れによる位相効果を観察できる。この新手法を用いた研究を、今後、さらに発展させたい。
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| Causes of Carryover |
本年度途中から、実験計画を見直した。積層欠陥を有する板状のダイヤモンド完全結晶に対して平面波のX線の運動学的回折を起こした所、周期性が乱れた界面で周期性の破れに由来するペンデル縞を観察することに成功した。この現象は、積層欠陥界面でのX線の局在と密接に関係があることが理論から予言されている。このような、界面付近の微小領域での局在の実験的検証を始めようとしたが、時間切れとなったので、次年度へ予算を繰り越すこととした。
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