低速陽電子実験施設

KEK

最近の成果の解説

グラフェン超伝導材料の原子配列解明に成功 ~薄くて柔らかい、原子スケールの2次元超伝導材料の開発に新たな道~

東京大学大大学院理学系研究科、早稲田大学理工学術院、日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の研究グループは、これまで未解決だった超伝導を示す炭素原子層物質グラフェンとカルシウムの2次元化合物の原子配列を、全反射高速陽電子回折法(以下、TRHEPD 法、トレプト法)という実験手法を用いて初めて決定しました。また、この原子配列が電気抵抗がゼロになる超伝導現象を示すことも実験により明らかにしました。グラフェンを利用した新たな化合物の原子配列を解明したことで、エネルギー損失ゼロの超高速情報処理ナノデバイスなどなどの材料開発への応用に道を開くものです。

新材料ゲルマネンの原子配置に対称性の破れ

原子力機構、東京大学、および高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の研究チームは、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法1)を用いて、単原子層状物質グラフェンのゲルマニウム版であるゲルマネン2)の原子配置を決定しました。ゲルマネンはグラフェンとは異なり自然界に存在しませんが、グラフェンと同様にナノテクのための新材料として注目されており、金属基板上での合成の報告を契機に、世界中で精力的に研究されています。これまで、ゲルマネンの原子配置についてはいくつか提案はされていましたが、まだ実験的な構造決定の報告はありませんでした。今回、TRHEPD法を用いて、アルミニウム基板上のゲルマネンについて調べました。その結果、これまでの予想に反し、原子配置の対称性が破れていることが明らかになりました。今回、基礎となる原子配置がわかったことにより、省エネ・高速・小型電子デバイス実現に向けた、ゲルマネンを用いた素子開発が進むことが期待されます。

ポジトロニウム負イオンの共鳴状態の観測に成功

東京理科大学、理化学研究所、および高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の研究チームは、陽電子1個と電子2個が束縛し合っているポジトロニウム負イオンの共鳴状態を生成し、その分光を行うことに成功しました。誰も容易に実現できるとは考えていなかった、ポジトロニウム負イオンの共鳴状態の生成と観測が可能になりました。最も単純な三体系であるポジトロニウム負イオンの分光実験が可能になったことで、三体量子系の研究の発展が期待されると同時に、寿命が長い励起状態のポジトロニウム※4ビームの生成への道が開けました。

全反射高速陽電子回折法によりグラフェンと金属との界面構造の解明に成功

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構先端基礎研究センターの深谷有喜研究副主幹らは、高エネルギー加速器研究機構(以下「KEK」)物質構造科学研究所の兵頭俊夫特定教授らのグループとの共同研究により、原子力機構とKEKが共同で開発した全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を用いてグラフェンと金属基板間の境界面の構造(界面構造)を詳細に調べ、金属の元素によるグラフェンとの結合の違いを実験的に明らかにしました。

30年来不明であった光触媒TiO2表面の原子配置を決定

高エネルギー加速器研究機構(以下「KEK」)物質構造科学研究所(以下「物構研」)の兵頭俊夫特定教授らのグループと北海道大学触媒科学研究所(以下「北大」)の朝倉清高所長のグループ、日本原子力研究開発機構(以下「原子力機構」)先端基礎研究センターの深谷有喜研究副主幹および量子ビーム応用研究センターの河裾厚男研究主幹グループによる共同研究およびKEK放射光施設共同利用研究(研究代表:北海道大学・朝倉清高教授)は、結晶最表面の原子配置を精度よく決定できる全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を用いて、光触媒としてよく知られているルチル型酸化チタンの、30年にわたり構造(原子配置)が未解明であった(110)-(1×2)超周期構造表面を決定しました。

全反射高速陽電子回折(表層構造分析の理想的な回折テクニック)の開発

日本原子力研究開発機構(以下「原子力機構」)先端基礎研究センターの河裾厚男研究主幹のグループと高エネルギー加速器研究機構(以下「KEK」)物質構造科学研究所の兵頭俊夫特定教授、一宮彪彦名古屋大学名誉教授 らのグループの共同研究および共同利用研究(研究代表:原子力機構・深谷有喜研究副主幹)により、KEKの高強度低速陽電子ビームを高輝度化して、TRHEPD (Total-Reflection High-Energy Positron Diffraction, 全反射高速陽電子回折)法 の高度化を実現しました。この手法をシリコン結晶の(111)表面 に適用して、その表面超高感度性を実証しました。

反射高速陽電子回折法によりシリセンの構造決定に成功

当低速陽電子実験施設では、日本原子力研究開発機構(以下「原子力機構」)先端基礎研究センターの河裾厚男研究主幹のグループおよび東京大学物性研究所の松田巌准教授の共同研究、および共同利用研究(研究代表:原子力機構・深谷有喜研究副主幹)において、結晶最表面の原子配置を精度よく決定できる反射高速陽電子回折法を用いて、銀単結晶表面上に形成したシリコンの原子1層からなる"シリセン"の構造を調べました。その結果、炭素原子1層からなる平面状のグラフェンと異なり、凹凸のある構造(バックリング構造)であることを初めて実験的に確認しました。  本成果は、KEKにおける高強度・高輝度・エネルギー可変単色陽電子ビームが、結晶最表面の原子配置に極めて敏感であり、かつ、十分な強度と品質をもっていることを実証するものでもあります。

本格的ポジトロニウム・ビームの生成

東京理科大学大学院 理学研究科物理学専攻 長嶋 泰之教授が代表を務める、東京理科大学と高エネルギー加速器研究機構の研究グループは、レーザー照射によるポジトロニウム負イオンの光脱離の方法を応用して、超高真空内で1keVを超えるエネルギーまでエネルギーを自由に設定できるポジトロニウム・ビームの生成に、世界で初めて成功しました。

ポジトロニウム負イオンの光脱離

東京理科大学大学院 理学研究科物理学専攻 長嶋 泰之教授が代表を務める、東京理科大学、高エネルギー加速器研究機構、宮崎大学、東京大学の研究グループは、陽電子1個と電子2個が束縛し合っているポジトロニウム負イオンにレーザーを照射し、電子と陽電子が束縛しあったままの状態であるポジトロニウムと電子1個に分離することに、世界で初めて成功しました。