2009年 12月号

量子ビームが拓く
ナノ・イノベーション

極限粒子場形成装置（重イオンタンデム加速器）

量

子ビ
ーム

量子ビーム研究開発のための機関連携が拓
く ナノ・イノベーション

量子ビームとは？

●●量子ビームセンター
センター長 岸本 直樹「量子」とは、「粒子性」と「波動性」を同

原子や分子のスケールでは量子的にの最小単位を言います。そして、「量子ビー振舞います。量子ビームの照射は、原子、分感度計測や材料の創製が可能になります。

ム」とは、量子の制御された「束」のことで子やその集団（結晶、非晶質、高分子など）

各々の量子ビームは、
粒子性と波動性のす。具体的には、
光量子、
イオン、
中性子、
電

に対して、
高分解能／高感度、
高透過、
可干

度合いやスピンの有無などが異なり、種類子などのビームの一般的な呼び名で、加速渉性をもち、回折、磁気散乱、原子導入などの違う量子ビームを巧みに使うことによっ器やレーザー、原子炉などによって供給さのユニークな反応をもたらします。その素て、相補的に物質・材料の計測や創製が実れます。

過程を計測・利用すれば、物質・材料の超高現します。

茨城県中性子
利用促進研究会

量子ビーム
センター

物質・材料は、時に持った物質の性質を表す物理的な量

筑波大学

理化学研究所（RIKEN)

茨城大学

●

●

3機関（NIMS, RIKEN, JAEA）
研究協力協定（2006年12月〜）
量子ビームテクノロジーの先導的研究開発に関する研究協力協定K
協 EK定（ NI
20 MS連
06 携
年 協
3月 力
〜
）
NIMS, AIST, JAXA, KEKによるつくば物質創成・構造研究
スパイラル構想（2006年1月〜）

産業技術
総合研究所
（AIST)

民間企業

日本原子力
研究開発機構（JAEA)高エネルギー
加速器研究機構（KEK)

J-PARC（大強度陽子加速器施設）JAEAとKEKとの共同事業
Japan Proton Accelerator Research Complex

物質・生命科学実験施設

核変換実験施設
（第Ⅱ期計画）500ｍ

原子核・素粒子実験施設（ハドロン実験施設）

リニアック（330ｍ）

ニュートリノ実験施設（神岡検出器へ）
3GeVシンクロトロン（25Hz, 1MW)

放射光
SPring-8, KEK-PF

量子ビームをナノテクに

物質・材料創製の研究基盤

スピン構造・
ナノ構造解析
中性子ビームJ-PARC, JRR-3M

Ｘ線・中性子小角散乱技術

NIMS量子ビームセンターでは、高輝度と波の性質をあわせ持つため、軽元素を

ナノテクノロジー を推進する動きが欧米

放射光、
中性子ビーム、
イオンビーム、原子

含む原子の配列構造の解析や、広範囲のを中心に活発です。わが国でもパルス中性ビームなどを用いて、総合的に研究開発を長さスケールにわたる磁気構造解析、複子施設J-PARCの稼動が始まり、量子ビー

進めています。

相構造の組織解析などに対して有力な手ムの開発利用を国全体で総合的に促進す段となります。

る機運が高まっています。この分野の先駈

放射光は、Ｘ線から軟Ｘ線の領域のきわ
スピン偏極
He(23S1)
スピン依存放出イオン・
ナノパターンニング技術

世界最高水準のナノ材料
計測解析技術2009. Vol.9 No.10nm

中性子回折による静的・
動的不規則構造の計測解析

pm

スピン偏極原子線技術

02μm

50GeVシンクロトロン（0.75MW）

画像提供：JAEA/KEK J-PARCセンター

量子ビームによる研究基盤

イオン・原子ビーム
EPF

画像提供：SPring-8

3+1機関連携体制

超高分解能・ナノ計測分析

ナノ量子材料
創製・３Ｄ制御

SPring-8の全景。三原栗山を取り巻く周長約1.4kmの蓄積リングがあり、矢印の先がNIMS
専用ビームラインBL15XU。

2008年12月〜共用開始

宇宙航空
研究開発機構（JAXA)

量子ビームセンターにおける研究開発のしくみ

放射光によるナノ構造の埋もれた界面の計測

NIMS専用ビ−ムライン
BL15XU

中性子散乱によるマルチスケール解析

サブナノメートルの埋もれた構造
電子／原子状態
スピン／磁気構造
フォトニック構造
ナノパターンニング

めて強力(高輝度)かつ平行性の良い光な

イオンビームは、材料中に任意の元素をけである原子力研究開発機構とNIMSにので、これを物質に照射すると、その結晶精密に制御された状態で打ち込んでナノ理研を加えた3機関が核となって連携し、構造を迅速かつ精密に知ることができま

機能を付与することができます。
また、
原子

燃料電池材料、
電子複雑系材料を中心に、す。また、エネルギー準位を選択的に励起ビームを使って、励起された中性原子をス

量子ビームによるナノテクノロジー開発をしてやれば、電子状態の超高感度分析がピン偏極させて（スピンという量子力学的進めています。わが国も量子ビーム基盤技可能です。現在は、微小領域のリアルタイ

自由度を揃えること）ナノ計測に利用する術の開発に戦略的に取り組み、
特に、物質・ム構造解析をサブナノメートルの分解能ことに成功しています。

材料の分野での利用をイノベーションに結で集中的に行っています。

世界的にユニークなナノ材料創製技術

このように量子ビーム技術によって、ナ

中性子ビームは強い透過能を持ち、原ノスケールの世界を精密に診断し、ナノ物

子核に散乱されることから、軽元素や同位

質・材料を直接制御することができるので体も判別することができます。また、スピンす。そこで、
近年、
量子ビームを基軸にしたびつけて産業の国際競争力を強化すべきだと考えます。

2009. Vol.9 No.10

03

SPring-8で展開する物質構造の解析

放射光で ものづくり を進化させる
放射光解析グループ グループリーダー

櫻井 健次

放射光解析グループ (共用ビームステーション長)

小林 啓介

SPring-8は世界最高クラスの性能
指向性・偏光性・パルス性に富む放射光
放射光とは、
円形または直線型の加速性、パルス性などを備えていることから、

エネルギー加速器が開発されました。当兵 庫 県の山 中に巨 大なリング状のカバーしています。BL15XUには、高分折では構造が決められませんでしたが、構造物があります。1997年から稼動す

解能粉末X線回折と硬X線光電子分光

BL15XUで測定することによって目的（HXPS）の2つの実験装置があります。

を達成しました。

スプリングエイト

器から放射される電磁波のことです。加初、放射光は邪魔者のような存在でし多くの研究分野や産業に有効に応用でる大型放射光施設SPring-8（Super

速器では、
電子や陽電子をほぼ光速にまた。電子を非常に高いエネルギーにまできることがわかってきました。

Photon ring-8GeV）です。8GeVは電高分解能粉末X線回折は角度分解能で加速し、非常にエネルギーの高い状態加速しようとしても、放射光が発生する

現在では、多様な放射光利用専用施子の最大加速エネルギーを示し、世界（解像度）が0.003度と非常に高く、複にしますが、荷電粒子が磁場中で曲がるためにエネルギーが失われ、加速に限設が世界中で建設されています。2009

最高クラスの性能を誇ります。

雑な構造をもつ様々な物質の結晶構造界が生じるからです。しかし、やがて放年4月には米国スタンフォード大学研究

現在、およそ50本のビームラインが1911年にラザフォードが原子核を発

射光がテラヘルツ光から可視光、紫外所で、これまでSFの世界だったＸ線レー稼動中で、このうちの1本BL15XUは発に役立っています。図2は国際ナノア

見して以来、
その内部構造を明らかにし光、真空紫外光、
Ｘ線に至る広範囲のスザーがついに実現しました。

NIMS専用です。BL15XUにはアンジーキテクトニクス研究拠点（MANA）のようとする理論研究が盛んに行われ、
理

ペクトル分布を持つことが判明し、また、ュレーターと呼ばれる装置が取り付け佐々木高義フェローらによる、
新規層状論を実験的に検証するツールとして高従来の光源とは違う鋭い指向性や偏光られており（図1）、位相のそろった放射

ランタノイド水酸化物の結晶構造解析

光を発生させることができる他、2.2〜

結果です。この物質は単位格子が大き36 keVという広いエネルギー範囲をく構造が複雑なため、通常の粉末X線回時には電磁波を放射します。

解析に利用され、機能性物質の研究・開図１リボルバー切り替え方式アンジュレーター
Ⅹ線源

放射光で時々刻々ライブ追跡とともに、
ものづくりや機能評価に結びは、高度な計測・解析の技術を開発し駆る環境下において実時間・高速の計測・つける努力を続けています。また、ライブ

使することが不可欠です。不可視だった解析を実現するための基礎研究を行っ

計測の時間スケールではとらえられなものが可視化すれば、研究も産業も新しています。試料内の元素や結晶構造の分い現象もあります。例えば、構造相転移

い発展段階に進めます。放射光はそのよ

布を画像化するイメージングや、薄膜・多や機能発現、各種の反応の詳細な機構

うな重要な役割を担っています。特に、Ｘ層膜の表面・界面の解析において、目のなどです。それらの解析にも取り組もう

線レーザーやそれに関連する新しい放前で時々刻々変化するものをそのまま追と、
パルスＸ線を用いた時分割解析を行

射光源の利用技術の将来に注目する必跡する ライブ計測 技術を、世界に先駆う新たな技術の開発も進めています。

要があります。

けて実現しました。

真空パス

r
原理
方法

入射X線

NMS特許
第3049313号
第3663439号
第3834652号

04

t

コリメータ

スリット
X線源

多層膜ミラー
位置敏感型
X線検出器

試料

NMS特許 第3903184号 試料ステージ

分析
情報

試料の観察視野内の元素マップ、元素の化学状態マップ、結晶構造マップ

薄膜・多層膜のナノレベル深さ情報（各層の密度・膜厚、表面および各界面のラフネス）

特色

XY走査を行うことなく、広面積（〜cm2）の高解像度（100万画素）画像を瞬時に得る。撮像時間 30
ミリ秒〜１秒、空間分解能15μ精密な角度走査を行うことなく、X線反射率プロファイルを瞬時に得る。
測定時間 0.1〜20秒

応用分野

コンビナトリアル材料スクリーニング
材料の安全性診断
非平衡・非線形な系の科学研究

製品の品質管理
薄膜成長時および機能評価時のモニタリング
表面・界面の相転移等の異常現象の科学研究

備考

KEKの放射光ビームラインを利用し、世界最速の動画イメージングにて、不可能だった計測を実現

実験室系のX線源で実施しており、広範な普及を期待

2009. Vol.9 No.10

18

20

22

24

26

28

30

c

b

32

a

Eu2 Eu1 Eu2 Eu1 Eu2a

図2 陰イオン交換能をもつ新規層状ランタノイド水酸化物の高分解能粉末X線構造解析の結果得られたEu8(OH)20Cl4・7.2H2Oの結晶構造。単位格子はおよそ1.2 nm×0.7 nm×0.9 nm。
6

8

10

12

14

16

18

2θ / °

20

2002年からSPring-8でHXPSと呼

d

試料

16

Cl

22

24

26

28

30

32

(F. Geng et al., Chem. Eur. J. 14, (2008), 9255. F. Geng et al., J. Am.
Chem. Soc. 130, (2008), 16344. F. Geng et al., Inorg. Chem. 48,(2009), accepted.)

電子状態や化学結合状態の高精度解析

ナイフエッジCCD

H2 O

2θ / °

4

薄膜・多層膜のナノレベル深さ分析

OH

14

現在は、その一層の高度化をはかる

元素・結晶構造イメージング
蛍光X線像

P21212 (no . 18)
a=12.9152(3) Å, b=7.3761(1) Å, c=8.7016(3) Å, Z=8態を調べることができます。たとえば、
ハ以上のようにSPring-8のNIMS専用

ばれる新しい光電子分光手法が開発さ

ーフメタリック・ホイスラー合金Co2MnSi

ビームラインBL15XUでは、物質の構造れています。従来は紫外線から軟X線領とMgOによるデバイスは、
高いトンネルと電子状態、化学結合状態を調べるた

域で励起した光電子を用いて試料の表

磁気抵抗を示す実用的なスピントロニク

めの精度の高い実験を、同じビームライ

面を測定するだけでしたが、よりエネル

ス材料として開発されました。このデバンで行うことができます。世界に類を見ギーの高い硬X線を用いることで、試料イスの上部MgO層は最大20 nmの厚さ

ないこのような特徴をもつ装置を利用しの奥深くまで測定できるようになりましがあります（図3）が、検出深度が大きいて、多くの先端的な研究成果が期待された。そのため、試料の表面処理をしなく

HXPSによって深層のCo2MnSi層を測ます。

ても固体内部の電子状態や化学結合状定できるようになったのです。

1 nm AlOx
capping layer

2-20 nm MgO barrier
50 nm Co2MnSi
Heusler electrode
Buffer layer

MgO substrate

Relative intensity I / Imax, VB

NIMSでは、放射光技術を使って もの(b) リ−トベルト解析から求まったEu8(OH)20Cl4・7.2H2Oｍの結晶構造(a) 粉末回折パタ−ンとそのリ−トベルト解析

Intensity

づくり を大幅に進化させようと、
あらゆ

Intensity

優れた新物質・材料の開発を進めるに

1.0

図3 硬X線光電子分光（HXPS）
による磁気トンネ
ルデバイスの測定結果。試料は50 nmのハーフメ
タリック・ホイスラー合金Co 2MnSi層と2〜20 nmのMgOをMgO基板の上に成長させ、さらに1 nmのAlOx層をかぶせたもの。20 nmのMgOの下に埋もれたCo2MnSiの電子状態が、バルクの状態と変わらないことがわかる。

0.8
Co t2g
Mn eg

0.6
0.4
(a)
0.2 Co2MnSi+MgO(2nm)
0.0
-2
-4

(b)
Co2MnSi+MgO(20nm)
0

-4
-2
0
Energy E- εF [eV]t2g(c)
Co2MnSi(bulk)
-4

-2

0

(G. H. Fecher et al., Appl. Phys. Lett., 92, (2008),
193513)2009. Vol.9 No.1005

中性子ビームで新しい物質・材料分野を開拓する

ナノ材料創成の切り札となるイオンビーム

中性子散乱グループ グループリーダー 北澤 英明

イオンビームグループ グループリーダー 岸本 直樹

中性子ビームは物質中の原子核や磁気モーメントに散乱
電気的に中性な粒子である中性子は、電磁波であるX線よりも、一般に物質に

ナノエレクトロニクスの中核技術持っているため、結晶構造解析に利用でちます。ライフサイエンスや環境・エネル

イオンビームは電荷を帯びた原子の波動性が少ないため、回折によるボケがから半導体への不純物注入に使われるきます。

ギー関連研究の進展に大きな期待が寄束です。これを照射すると、物質･材料内極端に少なく、
空間精度に優れているのようになりました。半導体エレクトロニクが特徴です。

ス製造工程で、電気伝導の制御を担う中対して高い透過力を示します。試験研究

しかし、
X線は物質中の電子に、中性子せられているのはこうした理由からです。

部に原子を注入し、同時に強いエネルギ用原子炉で生み出された高速の中性子

は物質中の原子核に散乱するので、
散乱

また、
中性子のもつ微少磁石（スピン）とーを与えることができます。イオンビーム

この技術はもともと、素粒子・核物理のは、水などの水素分子を含んだ減速材での仕方が大きく異なります。X線が不得

しての性質を利用して磁性体の磁気モ

は、光や電子線に比べて物質波長が短くツールとして発達しましたが、1960年代数十meV程度までエネルギーが下げら意とする水素やリチウム、
酸素といった軽ーメントの並び方（磁気構造）を調べるこ

れます。このエネルギーを持った中性子元素に対して、
中性子は大きな散乱能をとができます。さらに、
熱中性子が持つエを、特に熱中性子と呼びます。この熱中もつのです。そのため、タンパク質中のネルギーのやりとりを通じて物質中で生性子は、Ｘ線と同様に回折・干渉効果を伴

水分子の位置や、
リチウム電池中のリチじている格子振動や分子振動などの様

う波の性質（波長は約0.1〜0.3nm）をウムの位置などを直接決めるのに役立子を詳細に調べることができます。

最近の研究から ― マルチフェロイック物質の磁気構造を捕らえる
近年、強磁性と強誘電性が共存するマ

CuFeO2

CuFe1-yGayO2

コリニア磁気構造

ヘリカル磁気構造

ルチフェロイック（multiferroic＝複数の強的な性質）物質が注目されています。

心的な技術になっています。

ナノファブリケーションの限界を突破
半導体集積回路の微細化・高度化は

これはリソグラフィーに用いる光の波長えています。これまで、
イオンビームは半著しく、18〜24カ月ごとに集積度が倍（200〜400 nm）より短いため、技術的導体ウェハーに均一に広く照射するだになる（「Mooreの法則」）と言われて限界に近づいています。現在は、原子1けで、微細加工はリソグラフィー技術がいます。この発展を支えてきた主な技術

個から積み上げる方法と組み合わせて、担ってきました。イオンビーム自体をパ

は、
フォトリソグラフィー（感光性物質をナノファブリケーション（ナノ造形加工）

ターン化してナノ造形加工することがで塗布した物質表面を露光してパターンの技術開発が競われています。

きれば、この限界を突破する可能性があを生成）でした。微細化の限界は数十ナ

私たちは、
イオンビームこそこの状況

ノメートル程度と考えられていますが、を打ち破る最も有効な手段であると考ります。

この物質は、
磁場で電気分極を、電場で磁化を制御する低消費電力の制御素子

イオンビームによるナノファブリケーション

や新しい高速大容量記録素子としての
P=0展開が期待されています。
磁 場 誘 起マルチフェロイック物 質
CuFeO 2は、低温では互いの磁気モーメントが上向きか下向きの反強磁性体

P≠0
強誘電状態

常誘電状態

図１ CuFeO2はアップスピンとダウンスピンのみから成るコリニア
（共線的）
磁気構
造をとり、
電気分極(P=0)を示しません。
しかし、Feサイトを非磁性Gaイオンに一部置換したCuFe1-yGayO2では、磁気構造がヘリカル（螺旋）構造になり、強誘電状態(P≠0)を示すようになります。

です（図１）。強誘電性は６テスラ程度の私たちは、
イオンビームによるナノファのもその一環です。材料へのイオン（原ナノパターン注入を達成しました。そのブリケーション技術の開発、ビームの高子）供給をナノパターン化するマスク・イ

結果、
ナノサイズのパターンニング独特

フルエンス化（原子注入速度の向上）、

オン照射技術も開発しました。厚さ約200の近隣効果の存在と、その重要性が明らユニークなイオン・材料相互作用を利用

nmのナノパターンSi薄膜マスクを作り、かになりました。ナノパターンイオン注入

したナノ構造・ナノ粒子制御技術の開発

60 keVの負Cuイオンを照射して、
SiO2

技術は、
電子線などのリソグラフィーによ大きな磁場を加えることで初めて発現

電性を示すことを発見しました。そして、変化し、これが強誘電性発現の主原因などを行って来ました。目指すは、プラズ

結晶にスウェリング（膨れ）のナノパター

らずにナノデバイスを作り込む技術に道します。私たちは、鉄（Fe）磁性イオンの中性子散乱実験によって物質内部のスであることがわかりました。

モニクス、
超高速光通信、
高密度記録、
バ

ン形成に成功しています（図2）。

を拓くでしょう。

数％をガリウム（Ga）非磁性イオンに置

ピン構造の配列を調べた結果、非磁性(N. Terada et al., Phys. Rev. B, 78 (2008)
014101. editor's suggestionに選出)

イオパターニングなどへの応用です。

き換えれば、磁場を印加しなくても強誘イオンを置換するとスピン配列が大きくさらに、陽極酸化で生成した多孔質ア

ナノ粒子の空間制御を行うため、
イオ

ルミナの規則的ナノパターンマスクによン・レーザー複合照射法（図1）を開発した

り、
直径40 nmのナノスポット配列の広域高強度でパルス状の中性子ビーム時代へ
このように、中 性 子ビーム自体は、です。私たち中性子散乱グループは、
こ

しい分野を開拓し、材料研究や中性子

物質・材料研究における強力な測定手の強力な中性子ビームを物性の起源の科学研究に貢献したいと願っています。

段の１つです。
しかし、これまで原子炉解明や有用な材料の開発に役立て、新

イオンのみ

順次照射

同時照射

レーザー
イオン

によって発生された中性子ビームは強度が弱いので、長時間計測や大きな試料が必要でした。一方、2008年から稼発生した中性子を測定装置に導くビームライン（２３本）

働を始めた大強度陽子加速器施設J-

粒ノナ

中性子散乱実験施設

PARC(Japan Proton Accelerator
Research Complex)内の物質・生命

ミュオン科学実験施設

科学実験施設（図２）で発生する核破砕型強力パルス状中性子ビームの強度は、数年後には現在東海村で稼働中のターゲットステーション

陽子ビーム

四方に散乱
する中性子

種々の測定装置

原子炉JRR-3に比べて平均５倍、パル
スピーク強度で百倍以上に達する予定

1 μm

500 nm1 μm

500 nm飛程

陽子ビーム

図２ 物質・生命科学実験施
設の概念図。3GeVのエネ
ルギーまで加速されたパルス状の陽子ビームを水銀ター
ゲットにぶつけることによって、パルス状の中性子が四方に発生します。各種の中性子実験装置は、
図の前方だけでなく、裏側にも放射状に並べられています。

子

注入原子

20nm

図１ Cuイオン・レーザー複合照射した非晶質SiO2イオン・レーザーの断面透過型
電子顕微鏡像。同時照射のときにナノ粒子が形成されます。

表紙について：極限粒子場形成装置（重イオンタンデム加速器システム）の負イオン照射ビームラインにおいて、その場計測照射チャンバーを設置している様子。
この加速器システムは、
強いイオンとフォトンの重畳した「場」を形成して材料との相互作用を計測・利用するもので、
大電流負重イオン源、
レーザー同時照射系、
あるいは、
その場光学測定系等を備えていることが特徴です。

図2 Si薄膜マスク（上、走査型電子顕微鏡像）
を用いた
SiO2結晶のイオン照射誘起スウェリングパターン（下、原
子間力顕微鏡像）

画像提供：JAEA/KEK J-PARCセンター

06

2009. Vol.9 No.10

2009. Vol.9 No.10

07

iinterview
inn

物質表面だけを観測する低速量子ビーム
原子ビームグループ グループリーダー 山内 泰

量子ビームの研究は原子核物理の研究から始まり
ましたが、やがて半導体材料に適用され今やナノテクの研究に応用されるようになり、ナノ材料の精密な構造解析、あるいはナノパターニングや機能の作り込みのための優れた道具になろうとしています。ビーム研究に情熱を傾ける量子ビームセンターの岸本直樹センター長に、ビーム技術の重要性やその面白さについて伺います。

O2低速量子ビーム生成に成功
量子ビームの多くは、物質を非常によく透過する性質を備えています。そのたO2 N

知ることはできますが、逆に表面の様子(2,1)

が見えません。そこで考え出されたのが、強度（任意単位）

スピン

速度が他のビームの1/100〜1/10万の
秒速約1キロメートルという低速の分子・原子を使った量子ビームです。この音速レベルの低速では物質内部に侵入できず、物質表面の原子としか相互作用しな

酸素分子

(2,0)
(2,-1)(2,-2)

材料表面いのです。言い方を変えれば、
究極の表

-3

面敏感性を備えているといえます。私たちのグループは、
低速量子ビームとして酸

(2,2)

S

回転

め量子ビームを使って物質内部のことを

偏向

-2

-1

0

1

2

3

を行っています。
O2は、機能性酸化物の合成や金属材料の耐環境性などを左右する重要かつ（A）
自転しながら表面に接近する酸素分子（B）
シュテルン・ゲルラッハの実験

図1 O2は互いに平行なスピンを持つ2個の不対電子を保持しながら（3重項）
2原子分子として回転していますので、表面での反応に分子回転と電子スピンの関与が予想されます。
（A）
O2ビームが対向磁場を透熱から断熱まで様々な条件で通過した後でシュテルンゲルラッハ実験を行ったところ、5つの状態を順次遷移していく様子が観測されました。(B)ビーム形成過程で分子の回転運動が並進運動に転化した結果、O2分子が最低の回転量子数1のみを占め、
スピン量子数1と合わせてスピン・
回転量子数(2,-2)〜(2,2)の状態にある証です。

基礎的な化学反応を起こす分子です。こ岸本 直樹 （Naoki Kishimoto）

量子ビームにはもともと興味をお持ちだったのですか。
私の元々の専門は半導体物理だったので、実は量子

直接診る道具として、量子ビームは極めて有効です。ナ

ビームには全然興味はなかったのです。研究所に入る

ノテクノロジーというと、日本では非常に小さな世界

ときに、当時は原子力の研究が盛んでしたから、照射をまっ先に思い浮かべ、ビームのような巨大科学とは損傷の研究をやれと命じられて、ビームを扱うように馴染まないと思われがちですが、そうではありません。

なりました。そのうち、原子力はトーンダウンになり、

欧米では違う考え方をしていて、彼らは小さい世界をれまで、スピンの向きなど量子状態をそていませんでした。私たちは、6極磁石をました（図1）。その技術を生かして現在、そのまま続けることが難しくなって、照射を原子力以研究するのに巨大な技術が必須であると強調します。

ろえた分子ビームを反応制御や機構解使うことで、
世界で初めてO2の量子状態

配向O2ビームによる表面反応解析シス外の研究に使う、ビームをあてて材料を創っていくと例えば、オークリッジ、アルゴンヌ、ブルックヘブンや明に用いる手法が開発されていますが、だけでなく分子配向まで完全にそろえたテムを開発しています。

いう方向に転じ、ナノテクにこの技術を生かすことに

マックスプランクなど、大きな量子ビーム施設を持っ技術的な理由でO2に対しては実現でき

大強度ビームを生成する手法を確立しなったのです。

た研究所がナノテクの研究に主力を注いでいます。革量子ビームの研究に現在どんな感想を抱いていらっ
しゃいますか。
量子ビームの研究はとても楽しい分野だと思いま

広い応用分野を期待、
He低速量子ビームす。他の道具では決してできないことができるので、新的で役に立つ材料を、量子ビームで調べて創り出す
ことによって、両者の結合は人類の夢を大きく広げていくでしょう。

夢の持てる研究です。ただ、お金がかかることがある

量子ビームはナノテクをジャンプさせる可能性をはらんでいるということですか。

という点が苦労といえば苦労です。費用対効果という

例えば、イオンビームによるナノパターニングは、ナ点からみれば難しい点もあるのですが、こうした研究

ノサイズの光素子やスイッチ機能をそのまま作り込こ

He＋を生成する技術を開発し、最表面のは科学技術発展のための尖兵になることが運命づけめるという可能性を持っています。現在の光リソグラ（NIMS NOW 2006年12月号）。
また、スピンを元素別に計測できることを実証られています。例えばスケールは違いますが宇宙開発

フィーによる限界を超えることが本質的な意味で可能

スピンの向きをそろえることで、物質最しました。これを基に、企業と共同で「スの仕事などとも似ている面があります。そうなると最だということです。極端にいえば、インダストリーを発

表面の電子スピンを調べることもでき

ピン偏極低エネルギーイオン散乱分光

後は研究者の熱意が最も大事で、科学技術のピークを展させる次の技術の答は、量子ビームの中にしかない

ます（NIMS NOW 2009年4月号）。

装置」（図2）の開発を進めています。

拓くよう絶対にやり遂げるという覚悟が必要だと感と信じています。

じています。

後に続く若い研究者にひと言お願いします。

また、He＊で低速量子ビーム作ると、なるので、表面で反射されたものはHe＋He＊の励起エネルギー（約20eV）を最のままです。これを測定することで、最表表面の原子に与えることができるため、面原子の情報を得ることができます。さ

自己組織化単分子膜を用いたナノリソ

らに私たちは、スピンの向きをそろえたグラフィーの理想的な露光源となります

一方、
He＋ビームは比較的エネルギー

低速の量子ビームは、
ナノ加工技術かが高く（約1keVの運動エネルギー）、
表

ら元素敏感スピン計測、
状態選別反応な面からナノメートル程度まで侵入します。

ど幅広い分野で新たな展開を始めてい深く侵入したビームは中性のHe原子にます。

図2 スピン偏極低エネルギーイオン散乱分光装
置のプロトタイプ
He+イオンビーム：偏極率〜25%、
エネルギー
10eV〜2keV、電流<100nAアナライザー：角度分解静電半球形、2軸回転

2009. Vol.9 No.10

量子ビームの研究は基礎研究と目的基礎がマッチす

ナノテクと量子ビームとは、大変うまい取り合わせですね。

る貴重な分野です。こうした研究をやれることの幸せ

本当にそう思いますよ。ナノテクの材料にファンクを、是非ともしみじみ感じて研究を続けて欲しいと思ションを創りこめる道具として、また、ナノの世界を

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量子ビームセンター長

偏向（ｍｍ）素分子（O2）、
ヘリウムラジカル（He＊）、ヘ
リウムイオン（He＋）を利用した技術開発

量子ビームとナノテク材料研究との必然的な結合います。

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09

R esearch Highlights

R eesearch Highlights

希土類元素を使わない
高性能マグネシウム合金

鉄系超伝導線材
Fe（Se,Te）の試作

新構造材料センター
軽量材料グループ

超伝導材料センター
ナノフロンティア材料グループ
先進線材グループ*
染川 英俊

消費エネルギー低減のために、鉄道車輌や自動車

大澤 嘉昭

Alok Singh

グループリーダー

グループリーダー

向井 敏司

高野 義彦

晶相を形成させることは非常に難しく、希土類元素など車体の軽量化が求められています。それらの構の添加が必須と考えられていました。

センター長

水口 佳一

熊倉 浩明*

低温で電気抵抗がゼロになる物質を超伝導体と呼シース材になる鉄製のパイプの中にSeTe化合物をびます。超伝導状態では電気のエネルギーをロスな詰め、溝ロールおよび平ロールを用いて、幅4.3mm

造部材に適用するには、安全・信頼性の観点から軽量

そこで私たちは高価で貴重な希土類元素の代わり

く遠くに輸送することができます。もし、超伝導体で厚み0.55mmの細長いテープ状の線材に圧延しま

でありながらも「つよく」て「粘り強く」「 変形しやすに、比較的安価な汎用元素であるアルミニウムと亜作られた電線で地球を一周巻いたなら、昼間の地域

す。このようにして得られた線材を空気と反応しな

い」、いわゆる高強度・高靭性・高延性をもつ素材の開鉛を添加元素として選択し、組成の調整と適切な加で太陽光発電し夜の地域へ送電することも夢ではあいように石英ガラス管に封入し、熱処理を施しま発が重要です。

工熱処理制御により、Mg32(Al,Zn)49からなる準結晶りません。

す。するとFeシースと内部のSeTe化合物が反応し、マグネシウムは実用金属材料の中で最も軽量であまたはその近似結晶を母相結晶内に分散させること

最近、新しい高温超伝導体として鉄系超伝導が話Fe(Se,Te)超伝導体がシース内部に合成されましり、地中埋蔵量が豊富なことから、様々な分野で使用に成功しました。図1（左）に本開発合金の微細組織観

題を呼んでいますが、私たちは、その鉄系超伝導体

た。得られた線材断面の走査電子顕微鏡写真を図２

され、構造材料としても採用が検討されています。し察例を示します。黒矢印は母相結晶、白矢印は準結晶の線材化にも取り組んでいます。本研究に用いた試に示します。超伝導体がシースと密着し隙間なく充かし、その結晶構造に起因して脆弱であること、引張相を表し、準結晶相が母相結晶に分散していること

料は、鉄系超伝導体中最も単純な結晶構造を持つFe填している良好な状態が線材の両端の部分に得らや圧縮など変形方向に依存した強度差（変形異方性）

が確認できます。また、母相結晶ごとに色が異なるこ(Se,Te)系で、超伝導転移温度は約14Kです。主成分

れました。

を示すこと、
複雑形状への加工や成形が困難であることから、ランダムな結晶方位を示すことが分かりまである鉄は地球上に豊富に存在する元素であるこ

線材に電極を設け通電試験を行った結果、鉄系超となど、解決すべきいくつもの問題を抱えています。

す。さらに変形異方性がなく、従来の希土類元素を使とから、鉄をシース材（線材の外形を成す材料）に用

伝導体を用いた線材において、世界で初めて超伝導

私たちは準結晶相の特異な結晶構造に注目し、準用した準結晶粒子分散マグネシウム合金と同等の強い、同時に内部に形成する鉄系超伝導物質の原料を電流の通電に成功しました。臨界電流密度は4Kで結晶を母相結晶への分散粒子として扱うことでこれ度と延性を示すとともに（図1右）、300℃以下の比較

兼ねるというユニークな超伝導線材の作製方法を

Jc=12.4A/cm 2 とまだ小さな値ですが、今後、充填率

らの問題解決の手がかりを見いだしました（NIMS

的低温での成形性にも優れ、図2に示すように、NIMS

考案しました。

の向上やシースと超伝導体の結合の改善、多芯線化、

NOW 2007. No.9）。準結晶は、原子配列に規則性がのロゴの転写や、歯車形状の部材への成形なども可ないため、母相結晶と準結晶相の界面で原子同士が能です。

強固に結合します。そのため、変形中に破壊の起点とこのように、本合金は軽量化による消費エネル

なりにくく、脆弱さの改善に役立つことや、結晶方位ギーの低減に加え、素材や成形コストの低減にもつをランダムにし、変形異方性を解消することが知らながることから、輸送機材をはじめとする様々な構れています。しかし、マグネシウム母相結晶内に準結造材料としての応用が期待されます。

図１に線材作製プロセスの略図を示します。ま

磁束のピニングサイトの導入などを試みることにず、鉄系超伝導体の鉄以外の成分であるSeとTeを

よって、臨界電流密度がさらに向上するものと期待

あらかじめ反応させ、SeTe化合物を用意します。

されます。

シース (Fe)

降伏強度, MPa

500
400 マグネシウム合金
展伸材

超伝導体 Fe(Se, Te)

SeTe

200
100

ロール

マグネシウム合金鋳造材
5

10

15

20

25

30

35

Feシース

40

破断伸び, %

1010

ステレオ三角形
0001

ロール

裏面

希土類使用準結晶
粒子分散
マグネシウム合金

300

0
0

25 μm

表面

本開発合金

ロゴ転写

歯車

2110

充填

図1 電子線後方散乱回折法（EBSD）*による微細組織観察例（左）、マグネシウム合金の室温引張強度・伸び特性の比較（右）* 各々の母相結晶の色はステレオ三角形に示す結晶方位に対応し、一般的な

図2 鍛造成形後の外観写真

圧延

図1 線材作製プロセスの略図

0.1 mm
図2 線材断面の走査電子顕微鏡写真

マグネシウム合金展伸材は同じ色に集まりやすい特性がある

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2009. Vol.9 No.10

2009. Vol.9 No.10

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NIMS

NEWS

第2回NIMS-WUT-EMPAワークショップ開催
平成21年11月12日と13日、「ナノマテリアルの持続的発展」をテーマにNIMS、WUT（ワルシャワ工科大学）、EMPA（スイス連邦素材研究所）によるワークショップをつくばにおいて開催しました。このワークショップの第一の目的
は、若い科学者たちの国際交流活動を活発にさせることにあります。
第1回のワークショップは、平成20年6月にWUTの主催によりポーランドのワルシャワで開催されました。第2回の今回は、3機関の経験豊かな科学者と博士課程の学生やポスドクなど
若き科学者たち21名が、
「ナノマテ
リアル」、
「バイオマテリアル」、「エネルギーと環境」に焦点を当てた研究の口頭発表を行い、若手研究者を対象に行われた研究所ツアー
では、クオリティの高いNIMSの研究設備を見学しました。

ワークショップの参加者

産学官ビジネスフェア2009
平成21年11月25日～27日の3日間、「産学官ビジネスフェア2009」
が東京ビッグサイトにおいて開催されました。大学、公的機関と企業による産学官連携は “ 交流 ” から “ ビジネス ” へと展開し、名称もそれに合わせて昨年度までの「産学官技術交流フェア」から変更されました。新技術や製品、独自保有技術の出展とともに、ビジネス展
開の機会を提供するため、産業界ほか、事業化を支える投資や金融機関からの来場動員を図ることを目的に、日刊工業新聞社主催により、国際ロボット展、先端材料技術展と同時に開催されたものです。
NIMSは共催機関として、CO2削減を図る超臨界圧発電システム

NIMSブースにて：来場者に説明をするNIMS研究者

用耐熱鋼、ユニークな金平糖形状の白金ナノ粒子、薄膜形状記憶合
金アクチュエータ、深紫外線応用用途ダイヤモンドデバイス、高度材料創製支援技術の５点の研究と概要展示を行いました。またフェア内に併催されたセミナーでは、センサ材料センターの石田章グループリーダーと小泉聡主幹研究員が薄膜形状記憶合金およびダイヤモンドデバイスに関する講演を行い、来場者の関心を集めました。

第９回

第９回NIMSフォーラム
物質・材料の最先端研究と技術移転－社会ニーズに応える物質・材料研究－
環境再生へのナノテクノロジーの適用、要求に対応した最先端分析技術、社会ニーズを実現する環境・エネ
ルギー材料、バイオ技術など、ナノテクノロジーによる最先端研究の発表と技術移転の相談を行います。
どうぞご参加ください。

開 催 日：2010年2月17日 (水)会
場：東京国際展示場（東京ビッグサイト）
http://www.nims.go.jp/publicity/events/nimsforum/nimsforum09.html

2009.Vol.9 No.10 通巻103号 平成21年12月発行

独立行政法人

物質・材料研究機構〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1

Tel ：029-859-2026
Fax：029-859-2017
E-mail：inquiry@nims.go.jp
ホームページ：http://www.nims.go.jp/