2色発振X線自由電子レーザーを利用した非線形X線分光法の開発

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K20604
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: X線自由電子レーザー / 非線形光学現象 / ポンププローブ法

研究実績の概要

本研究では、X線自由電子レーザー(X-ray free-electron laser; XFEL)施設SACLAを用いて発振させた2色ダブルパルスXFELビームを用いて、様々な非線形光学現象を測定することを目指している。
研究最終年度では、時間差をつけたダブルパルスXFELを用いたX線ポンプX線プローブ法によって、アルミナ(Al2O3)に高強度X線を照射した際に起こる原子移動を測定することを試みた。光子エネルギー11.99 keVの短波長XFELをプローブ光として利用し、測定した回折強度プロファイルからRietveld解析によって原子位置の時間変化を評価した。その結果、X線照射後20フェムト秒程度は原子の位置はもとの位置から僅か0.01 オングストローム程度以下に留まっていることが明らかになった。現在、SPring-8を始めとした放射光施設では、物質の構造を0.01オングストローム程度の分解能で可視化する、精密X線構造解析が盛んに行われている。しかし、試料によってはX線による損傷のために、その構造を決定することが不可能だという問題がある。本研究の結果は、X線の時間幅を20 fs以下にすることで損傷を気にせずに精密X線構造解析ができることを示唆している。すなわち、XFELを用いればX線構造解析の適用範囲を拡大できることが明らかになったと言える。
また、本研究課題で開発したセルフシード技術とマルチカラー発振技術を組み合わせた単色・準単色の2色XFELビームを、X線領域のAmplified Spontaneous Emission(ASE)分光へ応用した。Mn系化合物の試料について、この分光法を用いることで詳細なエネルギー準位を調べうことができることが確認できた。

研究成果

• [国際共同研究] Deutsches Elektronen-Synchrotron/Universitat Hamburg/European XFEL GmbH(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Deutsches Elektronen-Synchrotron/Universitat Hamburg/European XFEL GmbH
• [国際共同研究] SLAC National Accelerator Laboratory/University of Wisconsin-Madison/Lawrence Berkeley National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: SLAC National Accelerator Laboratory/University of Wisconsin-Madison/Lawrence Berkeley National Laboratory
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Lund University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Lund University
• [国際共同研究] Polish Academy of Sciences/Adam Mickiewicz University in Poznan(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: Polish Academy of Sciences/Adam Mickiewicz University in Poznan
• [雑誌論文] Single-shot spectrometer using diamond microcrystals for X-ray free-electron laser pulses (2022)
  • 著者名/発表者名: Inoue Ichiro、Iwai Eito、Hara Toru、Inubushi Yuichi、Tono Kensuke、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 29 ページ: 862～865
  • DOI: 10.1107/S1600577522001205
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Delayed Onset and Directionality of X-Ray-Induced Atomic Displacements Observed on Subatomic Length Scales (in press) (2022)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue, Victor Tkachenko, Konrad J. Kapcia, Vladimir Lipp, Beata Ziaja, Yuichi Inubushi, Toru Hara, Makina Yabashi, Eiji Nishibori
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: - ページ: -
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of intense phase-stable femtosecond hard X-ray pulse pairs (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yu, Kroll Thomas, Weninger Clemens et al.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 ページ: e2119616119
  • DOI: 10.1073/pnas.2119616119
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hard x-ray intensity autocorrelation using direct two-photon absorption (2022)
  • 著者名/発表者名: Osaka Taito、Inoue Ichiro、Yamada Jumpei、Inubushi Yuichi、Matsumura Shotaro、Sano Yasuhisa、Tono Kensuke、Yamauchi Kazuto、Tamasaku Kenji、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: L012035
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L012035
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Shortening X-Ray Pulse Duration via Saturable Absorption (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Ichiro、Inubushi Yuichi、Osaka Taito、Yamada Jumpei、Tamasaku Kenji、Yoneda Hitoki、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 ページ: 163903
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.163903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hard X-ray nanoprobe scanner (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada Jumpei、Inoue Ichiro、Osaka Taito、Inoue Takato、Matsuyama Satoshi、Yamauchi Kazuto、Yabashi Makina
  • 雑誌名: IUCrJ 巻: 8 ページ: 713～718
  • DOI: 10.1107/S2052252521007004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Intensity correlation techniques for spatiotemporal diagnostics of fs X-ray pulses (2022)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue
  • 学会等名: PQE-2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Capturing transient x-ray-matter interactions with twin XFEL pulses (2022)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue
  • 学会等名: Synchrotron Radiation Instrumentation 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高強度XFELが引き起こす 物質の過渡的な構造変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上伊知郎, 犬伏雄一、大坂泰斗, Victor Tkachenko, Beata Ziaja, 西堀英治, 矢橋牧名
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] Materials science with X-ray free-electron laser SACLA (2021)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue
  • 学会等名: MRM2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast structural changes in matter induced by intense X-ray free-electron laser pulses (2021)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue, Yuichi Inubushi, Taito Osaka, Toru Hara, Eiji Nishibori, Makina Yabashi
  • 学会等名: Twenty-Fifth Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • 国際学会
• [備考] ホロー原子を使ったX線レーザーの短パルス化
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20211016_1/index.html
• [備考] 科研費 研究成果トピックス(高強度X線と物質との相互作用の解明と応用)
  • URL: https://www.jsps.go.jp/j-grantsinaid/37_topics/data/00304-82401-30783401.pdf