トピックス
SACLA による軟 X 線非線形光学現象の開拓
山本真吾
ドレスデン強磁場研究所

松田巌

東京大学物性研究所

要 旨

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 01328 Dresden, Germany〒2778581 千葉県柏市柏の葉 515空間反転対称性を持たないバルク遷移金属酸化物からの軟 X 線第二次高調波発生の研究結果を紹介する。これまで
可視硬 X 線域では，コヒーレントな信号増幅を伴う透過配置が取られてきたが，軟 X 線では物質の吸収が強く，その測定に制限があった。今回，大強度の軟 X 線自由電子レーザーと，内殻共鳴による増大効果を利用すること
で，軟 X 線第二次高調波を反射配置で観測した。共鳴下の軟 X 線非線形光学効果は，バルクから薄膜試料に至るまで様々な物質群に対して元素選択的かつ，大域的空間反転対称性の破れに敏感なプローブとして適用できる。軟 X
線自由電子レーザーを用いた非線形光学研究の将来展望についても議論する。

適用に向けて反射配置の観測が望まれた。

1. 軟 X 線域の非線形光学効果

本記事では，我々が最近 SACLA で行った反射配置で非線形光学効果は，レーザー技術の開発深化とともの軟 X 線 SHG 研究を紹介する10)。具体的には，中心反転に，様々な自然科学分野で応用され，従来用いられてきた対称性を欠いたバルク単結晶 GaFeO3 から，Fe M 端（3p線形光学応答の範囲では捉えられない多くの現象の発見を→ 3d ）の内殻共鳴による増大効果を利用し，反射配置でもたらしてきた。物性分野では，多光子吸収による電子状

軟 X 線 SHG を観測した。倍波のエネルギーが系の吸収端

態や，複数波混合，誘導散乱を用いた磁気的結晶学的対のエネルギーを超えると， SHG 信号が明瞭に観測され称性，低エネルギー励起状態などの精密プローブとして広た。軟 X 線 SHG は，i）元素選択性，ii）大域的反転対称

範に使用されてきた13) 。また，これらを通じた波長変換性の破れに敏感という可視域硬 X 線域の SHG の特徴を

は，広帯域超高速な光ファイバ通信や，高繰り返し動作兼ね備える。可視域の SHG は，古典的には，入射電場に下での微細加工技術，量子もつれを用いた情報伝送技術へ

よる電子の振動における非調和成分から非線形性が生じの展開など，応用上も重要である。 1960 年のルビーレー

る。そのため，双極子近似下では，中心反転対称性を欠い

ザーの発明に端を発した約 60 年の非線形光学効果の研究た系から SHG が発生し，特に表面界面を対象にした研では，その大部分が実験室系光源をベースにした可視域に究でその威力を発揮してきた11)。一方，硬 X 線 SHG は，限られ，X 線非線形光学効果の研究は，X 線自由電子

調和成分が，非線形性に優位に寄与し，その観測には大域レーザー（X-ray Free Electron Laser: XFEL）の誕生後4)，的な反転対称性の破れによる制約はない7)。摂動論に基づ

つまりこの約10年で SACLA，LCLS を中心に本格的に始くこれらの寄与の導出は先行文献で示されている8,12,13)。

まった58)。

また硬 X 線域は内殻励起に対応するため，元素選択性を

2 次の非線形光学効果の一つに第二次高調波発生（ Se-有する。この中間の長さの波長を持つ軟 X 線では，対象

cond Harmonic Generation: SHG）がある。物質に光が入の周期構造に対する長波長近似が可視域のように成り立射すると，その基本波の光電場による非線形分極が媒質中

ち，大域的な反転対称性の破れを捉えられるのに加えて，に誘起され，入射電場の 2 倍の周波数を持つ倍波が生成

硬 X 線のような元素選択性を持つと期待されていた。

される。一般的に SHG は，位相を保つ過程で，生成され次節からの実験の詳細に入る前に， SHG 信号の共鳴下

た 2 倍波同士がコヒーレントに強め合って，増幅されたでの増大について現象論的に見る。 SHG は， 2 次の非線信号を実験で検出する1)。実際，これまでの可視硬 X 線

形感受率 xSHGijk で表される。 i, j, k はそれぞれ， 2v の分域 SHG 測定では，入射光電場で誘起された 2 倍波同士の極 Pi ( 2v ）が，入射光電場 Ej ( v ）， Ek ( v ）によって誘起位相整合を取るような配置が選ばれてきた7,9) 。しかし，されることに対応する。結晶中の原子間隔よりも長い波長

軟 X 線では，物質による吸収が強く，透過配置での位相領域では xSHGijk は，主に以下の(1)式のように表せる1)。

整合を取ることが困難で，軟 X 線 SHG は最近まで未開拓の領域だった。また，軟 X 線では，より広い物質群へのxSHGijk(2v; v)＝

(

〈i〉gn
〈 j〉nn〈
N
′ k〉
n′
g
∑
e0 nn′ (vng－2v)(vn′g－v)

放射光 Nov. 2019 Vol.32 No.6 ● 307(C) 2019 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

造を持ち，空間反転対称性を欠いた系となっている14) 。
Fig. 1 ( b )は， c 軸方向から見た結晶構造を示しており，自発分極を b 軸方向に持つ。この系では大域的な空間対称性の破れに基づく SHG が，実験室光源の可視域レーザーを使って観測されていた15)。
本測定は，自己増幅自発放射（Self ampliˆed spontaneous emission: SASE）型光源である SACLA の軟 X 線ビー
Fig. 1(Color online) Second-harmonic generation (SHG) in the
GaFeO3 using the resonant eŠect at the Fe 3p edge. (a) Excitation scheme in the SHG. The notations g, n′, and nrepresent the ground, intermediate, and excited state, respectively. (b) Crystal structure of the GaFeO3. (reprinted ˆgurewith permission from Ref. 10. Copyright (2018) by theAmerican Physical Society).

ムライン（ BL1)16)にて反射配置で行った。ここで，この配置での位相関係について触れておく。Fe M 端では，媒質中での減衰長が基本波の波長に比べて小さいため，試料表面垂直方向への光子の運動量移行による，2 倍波同士の位相のずれは無視できる。これは，可視域 SHG と異なる点である。また試料表面平行方向については，どのエネル
ギー領域でもそうだが位相整合が成立する。ゆえに，反射
配置では，侵入長の領域内で吸収端であっても位相のずれ〈 j〉gn〈i〉nn〈
′ k〉
n′
g

〈 j〉gn〈k〉nn〈
′ i〉
n′
g
＋
＋
(vng＋v)(vn′g－v) (vng＋v)(vn′g＋2v))(1)〈 j〉gn は，双極子遷移行列のある座標軸成分， N は全原子は問題にならない。
Fig. 2 ( a )に SACLA の軟 X 線ビームライン BL1 を含む測定系を示す。SACLA では BL1 専用の光源として SCSS

密度を表す。これは，電気双極子近似下では，中心反転対＋を 有し ており ，電 子ビー ムエ ネルギ ーが 400 MeV の称性があるとゼロになる。そして第一，第二項の分母が共下，パルス幅が約100 fs，ショットあたりのパルスエネル

鳴ファクターに相当する。すなわち，2v＝vng もしくは，

ギ ー が 最 大 25 mJ の FEL パ ル ス を 用 い た 。 p 偏 光 し た

v ＝ vn′g の時に xSHGijk は増大する（ Fig. 1 ( a )）。ゆえに，

FEL パルスを試料に 45 度の入射角で照射した。この際，FEL パルスエネルギーを物質の吸収端に合わせること

入射パルスの偏光面が試料の自発分極の方向（b 軸）に平で，軟 X 線の SHG 信号が増大することが見込まれる。

行になるよう試料を配置した。スポット径は，試料位置に

2. SACLA BL1 での GaFeO3 に対する測定系ておよそ 100 mm で，ビームタイム中の試料損傷がないことを確認している。試料からの反射光のエネルギーを回折本研究では，バルク単結晶の GaFeO3 を対象にした。こ格子で空間的に分離し，基本波（ Iv ）と，倍波（ I2v ）のれは，室温で，空間群 Pc21n で表される orthorhombic 構

光強度をマイクロチャネルプレート（MCP）で検出した。

Fig. 2(Color online) Overview of the measurement scheme of second-harmonic generation (SHG) using a soft-x-ray
free-electron laser at SACLA. (a) Schematic diagram of the measurement system. (b) Fe M-edge x-ray absorption spectrum of GaFeO3. (c) Intensity of re‰ected light with the v component, Iv, as a function of incident-lightintensity, I0. at the photon energy v＝27.5 eV. (d), (e) Intensity of re‰ected light with the 2v component, I2v,
as a function of I0 at 2v＝55 eV, and 53 eV, respectively. (reprinted ˆgure with permission from Ref. 10.
Copyright (2018) by the American Physical Society)308 ● 放射光 Nov. 2019 Vol.32 No.6

トピックス ■ SACLA による軟 X 線非線形光学現象の開拓

すなわち，MCP は，エネルギー分散方向に並進させ，そあると考えられる。また，2v＝55 eV での SHG 強度は，れぞれの周波数に対応する光強度を独立に測定した。軟2 v ＝ 57 eV ， 59 eV に比べて SHG 信号強度が 4 5 倍ほ

X 線域の検出感度を上げるために，表面が CsI コーティ

ど大きい結果となっている。

ングされた MCP を使用した17)。試料への入射強度（ I0）

次節で，2v＝55 eV における共鳴効果の増大機構につは，上流の Ar ガスのイオン化電流より測定した。これら

いて考察する前に， SASE 型 FEL による SHG 観測の手の光強度は，光源の繰り返し周波数60 Hz でショット毎に法的な特色に触れる。 SASE 型 FEL は，光の発生原理上収録した。 I2v に寄与する成分として，本対象の SHG の不可避的にパルスごとの光強度のばらつきがある4)。本実

他に，2 光子吸収を経た指向性のない発光過程が考えられ

験では，入射 FEL パルスは，変動係数で約32のふらつ

るが18) ， MCP を I

2v の検出位置に置き，試料の方位を鏡きがあった。 SHG スペクトルの定量的議論のためには，

面反射配置よりずらした際に，検出可能な信号がないこと

Fig. 2( d)のような入射強度に対する I2v を測定する必要がを確認している。またこの他にアンジュレータ放射の 2あるが，この目的のために FEL の持つパルスごとの強度

次光が考えられる。軸上では偶数次は発生しないが，そこのばらつきはむしろ都合が良い。実際，I0 強度を人為的にから外れた位置での 2 次光が影響する可能性もあるが，上流の光学素子等で変えることなく，同一測定環境下にて

本実験ではこれが検出にかかる有意な信号では存在しない

数分間で Fig. 4 のような I2vI0 プロットを得ることができことを確認している。分光器の前後に 200 mm 開口幅のス

た。SASE 型光源は，軟 X 線 SHG 測定との相性が良く，リットを置き，～ 1 eV 程度の幅を持つ光子が，ある位置限られた FEL のビームタイムで効率良くデータ収集を行に固定した MCP に入射する条件で測定を行った。

うことができる。

本 実 験 で は ， 2v ＝ vng の 共 鳴 条 件 で 行 う た め に 入 射
FEL パルスを， Fe の M 吸収端（ 3p → 3d ）の半分に相当

するエネルギーに合わせる。これにより，Fig. 1(a)に示す
ように 2 倍波は，Fe 3p 準位とフェルミ準位近傍の非占有準位との間のエネルギー差に対応することになる。実際のGaFeO3 の Fe M 吸 収 端 の 吸 収 ス ペ ク ト ル を UVSOR
BL5B19) にて測定した。 Fig. 2 ( b )にその結果を示すが，～54 eV より Fe M 端由来の立ち上がりが見られる。

3. 軟 X 線第二次高調波の観測
Fig. 2(c)には，入射エネルギー v＝27.5 eV の時の反射

光中の線形成分 Iv の入射光強度 I0 依存性を示す。破線は，べき乗（∝ I0b ）によるフィッティングを表し，この場合は，指数 b ＝ 1.0 を得る。一方，この反射光中で 2v＝ 55 eV のエネルギーを持つ I2v は， Fig. 2 ( d )に示すように非線形な I0 依存性が見られる。しかし， Fe 3p 端の立Fig. 3(Color online) I2v vs I0 for 2v＝55 eV, 57 eV, and 59 eV.
Iv vs I0 for v＝27.5 eV is also indicated for comparison.
The I2v depends quadratically on I0. (reprinted ˆgure withpermission from Ref. 10. Copyright (2018) by the American
Physical Society).

Fig. 4(Color online) Temporal variation of the I2v-I0 diagram extracted from (a) 320, (b) 1280, and (c) 10800 FEL shots.
Data points are derived by averaging every 16 points after
sorting in the order of the I0 intensity. I2v-I0 plot can bemeasured using an inherent intensity variation of the SASEtype XFEL.

ち上がり前の 2v＝53 eV となるエネルギーを選択すると，
I2v の信号強度は 2v ＝ 55 eV の時に比べて急激に減少している（Fig. 2(e)）。Fig. 2(b)の吸収スペクトルと合わせて考えると，M 端の共鳴下で I2v の信号が増大する結果になっている。
Fig. 3 では，対数スケールでいくつかの異なる入射エネ

ルギーに対する I2v の I0 依存性を示す。また，比較のため，v＝27.5 eV の場合の Iv の I0 依存性も合わせて示す。
Iv のべき乗関数によるフィッティングによると， b ＝ 1.0で線形応答を示す。一方，I2v では，その指数は，それぞれ b ＝ 1.8 （ 2 v ＝ 55 eV ）， b ＝ 2.0 （ 2 v ＝ 57 eV ）， b ＝2.0（2v＝59 eV）となる。これらの実験値は，二次の非線形光学効果から期待される，2 倍波の強度が入射強度の2 乗に比例するという事実と一致する。以上から，2v＝55 eV，57 eV，59 eV で観測している I2v は Fe の 3p 準位の共鳴効果で増強されている GaFeO3 結晶からの SHG で

放射光 Nov. 2019 Vol.32 No.6 ● 309

4. 内殻二重共鳴による増大効果の考察

tron spectroscopy, XPS ）を行った。入射光子エネルギーを56 eV にして測定した光電子分光スペクトルを Fig. 6(a)2 v ＝ 55 eV での SHG 信号の増強について次のようなに示す。v ＝ 56 eV に対しては，エネルギー分解能が 41

2 種類の内殻準位を介した二重共鳴過程を検討する。このmeV であった。スペクトルをピークフィッティングする＞），第二励起過程（|n＞）がそれぞれ，
過程では第一（|n′と，明瞭な O 2s と Ga 3d 準位のエネルギー位置が確認で実準位間の遷移に対応する。各励起過程の模式図を Fig. 5

きる。両者のピークは一部重なっているが，それぞれのに示す。

ピーク位置は－ 19.9 eV （ Ga3＋ 3d ）と－ 22.7 eV （ O 2s ）基底状態|g＞では，3d 5 の高スピン状態にあり，第一とな る。 これ らのピ ーク 位置は 先行研 究と 整合し てい＞で，O 2s から Fe 3d 準位へ電荷移動が起励起状態|n′る20,21)。O 2s は，FEL での基本波のエネルギーに相当し，

こり 3d 6L に至る。ここで L は酸素のリガンド状態を表

O 2s から Fe 3d 準位への電荷移動の SHG への寄与を支持

し，アンダーラインはホールを意味する。

する。

第二励起状態| n ＞は， Fe 3p から O 2s 準位への電荷

 の過程について検討するため，電子状態のエネルギー

移動で引き起こされる 3d 63p 3p に対応する。そして，位置について第一原理計算を行った。これは Fe 3p 状態

二倍波を放出して再び始状態の 3d 5 に戻る。

と O 2s 状態の両者に重なりがある時に起こる。計算22)に

 の第一励起状態への遷移を検討するために， Photon


よる Fe サイトでの局所状態密度を Fig. 6 ( c )，( d )に示す

Factory BL-2A に て X 線 光 電 子 分 光 （ X-ray photoelec-

が， O 2s 由来の有限の状態密度が－ 19 eV 付近に見られる。これは，Fe サイトに O 2s 状態の波動関数が広がって
い る こ と を 意 味 す る 。 こ れ は ， Fe 3p と O 2s 間 の 遷 移 の過程を
が，有限な行列要素を持つことを示唆し，この可能にする。
2 v ＝ 55 eV での SHG 強度における 2 種類の内殻準位を介した二重共鳴機構による増大効果をさらに定量的に取り扱うために 2 次の非線形感受率の KKR 法による計算22)を行い，実験結果との比較を行った。非線形感受率テンソ
Fig. 5(Color online) Possible double-resonant mechanism in the
SHG from GaFeO3. Electronic levels of O 2s, Fe 3p, and 3d
are shown for each excitation state.

Fig. 6ルは，結晶の対称性より有限となる成分がわかる。ここで，
x ， y ， z の定義をそれぞれ GaFeO3 の a ， b ， c 軸に平行とSHG ， xSHG
すると， GaFeO3 の点群では， xSHG
zzz ， xyzy
zyy のみ(Color online) (a) X-ray photoelectron spectrum obtained with the photon energy v＝56 eV at room temperature. The energy zero corresponds to the Fermi level. Solid line is the ˆtting composed of two Gaussian functions.
Gaussian-ˆtting results are given by the dotted lines. (b) Two nonequivalent Fe3＋ sites, Fe1, and Fe2 of GaFeO3.
Local density of states at the (c) Fe1 and (d) Fe2 site are derived by the ˆrst-principles calculation. (reprinted
ˆgure with permission from Ref. 10. Copyright (2018) by the American Physical Society).

310 ● 放射光 Nov. 2019 Vol.32 No.6

トピックス ■ SACLA による軟 X 線非線形光学現象の開拓

基本波のエネルギー v は第一励起状態のエネルギー準位
よりもやや大きかった。そこで，もしこの第一励起状態が基底状態と第二励起状態のちょうど中間，すなわち理想的な二重共鳴条件下で（ Fig. 7 ( b )の挿入図( ii )）， SHG 信号の強度がどのように変化するか調べた。その計算結果をFig. 7(b)で比較する。これによると，非線形感受率は，完全な二重共鳴条件を満たす場合，今回の実験の場合（ Fig.
7 (b)の挿入図( i)）に比べて， 10倍ほど大きくなると予測された。このような完全な二重共鳴下の条件では，フェルミ準位直上の非占有状態への遷移による寄与が，フェルミ
準位よりも高いエネルギー側へのバンド間遷移による寄与に比べ優位になり， SHG を引き起こす電子励起過程の同定がより確実になると期待される。
最後に軟 X 線 SHG と空間反転対称性の破れの程度の関係を定性的に述べる。GaFeO3 の大域的な反転対称性の破れが，本研究での SHG 生成を可能にしている。しかし，
Fe サイトでの 3p の core hole が，並進対称性を破り，そFig. 7(Color online) Square of the second-order susceptibility tensor, |xSHGzzz|2, (left) is compared with the I2v (right) which
is normalized so that the I2v equals to the |xSHGzzz|2 at 2v＝53 eV. The |xSHGzzz|2 is calculated assuming the transition
process shown in the inset (i), which corresponds to the caseof GaFeO3. (b) |xSHGzzz|2 values caused by the excitation
process of the inset (i) are compared with that caused by theinset (ii). The inset (ii) is the ideal conˆguration regarding
the double resonance where the intermediate level locates atthe very middle of the ground and the excited state. (reprinted ˆgure with permission from Ref. 10. Copyright (2018) by
the American Physical Society).

のホールが局在しているため，大域的な反転対称性は不要
なのではと考えるかもしれない。確かに，ある原子サイト
で，光子を吸収し core hole が生じて，もう一つ光子を吸収し， 2倍波を放出して始状態に戻る過程が有効的に生じるには，局所的な反転対称性が必要となる。しかし， 3d遷移金属 M 端の 20 50 nm の長波長近似が成り立つエネ
ルギー域では，局所的な反転対称性の破れ方が逆の 2 つのサイト間で，2 倍波が強め合うことはない。そのため，局所的のみでなく大域的な空間反転対称性の破れも，この軟 X 線域の SHG 観測では重要となる。実際，本研究と時期を同じくしてアメリカとイタリアの合同チームが，透過型配置において，微弱ではあるが軟 X 線 SHG を検出して|2 へ

おり，表面からの寄与を報告している23)。 3d 遷移金属 Kの寄与を Fig. 7(a)に示す。横軸は，生成される 2 倍波のエ端の領域では，波長が原子スケールになり，局所的な対称

ネルギーを示す。この計算では Fig. 7 ( b )の挿入図( i )のよ性の破れに起因した 2 倍波の増幅が予測されるので， M

うな遷移の寄与を計算し，第一励起状態が FEL の入射エ端領域よりも局所描像がより重要になると考えられる。

が有限成分を持つ。 Fe 3p 共鳴の GaFeO3の| xSHGzzz

ネルギーの v よりもやや低いという XPS の結果を考慮に入れている。実験結果は，プリエッジの 2v＝53 eV の

5. まとめと今後の展望

I2v が，計算結果と一致するように規格化している。この中心反転対称性を持たないバルク結晶より反射配置で初計算結果は，Fe 3p 端近傍にピークをもち，実験で見られ観測した軟 X 線第二次高調波の研究を本稿で紹介した。

た非 線形信 号の 増大を 再現 してお り，二 重共 鳴過 程の

GaFeO3 では，基本波のエネルギーが O 2s→Fe 3p 間と，

SHG への寄与を強く示唆する。非線形感受率の表式中でFe 3p → O 2s 間の遷移にほぼ対応し， SHG 信号がこの二方位に依存しない部分（(1)式の分母）が，共鳴による増重共鳴によって増大することが理論，実験から示唆され

大 を も た ら す た め ， 他 の 有 限 の テ ン ソ ル 成 分 xSHGyzy ，た。遷移金属酸化物の，酸素 L1 端と金属 M 端の二重共鳴

vSHG

zyy についても共鳴に対する振る舞いは，ここで示しによる軟 X 線非線形光学測定は，強相間系のバルク試料ている xSHGzzz と同様だと予測される。計算結果に見られや，ヘテロ接合系の薄膜試料といった多様な系に適用可能

る55 eV 近傍のピークは，フェルミ準位近傍の状態への遷だと考えられる。本実験では， 1012 W/ cm2 のオーダーの移に対応しており，ポストエッジのピーク構造はより高い

基本波の強度で軟 X 線 SHG を観測したが，これは 1016 /エネルギー準位のバンド間遷移に由来している。このポス

cm2 の強度が必要だった硬 X 線 SHG と比較して7) ， 4 桁

トエッジ領域でのずれについては，今後の実験理論両面

ほど小さい。すなわち，軟 X 線領域では，より FEL 輻射

からのさらなる研究が必要となる。

による試料損傷の影響が少ない状況で測定が可能になって本測定では，二重共鳴下条件の寄与があったが，実際のいる。そのため，European XFEL, FLASH2020, LCLS-II

放射光 Nov. 2019 Vol.32 No.6 ● 311

といった高繰り返し FEL を使った測定でより短時間に，

RIXS )27) と 同 じ 様 な 情 報 を 与 え る こ と は ， 可 視 域 で のかつよりシグナルノイズ比の良い測定が見込める。これ

SFG とラマン散乱との相補関係から予測される2,28,29) 。

は，強磁場下測定や，時間分解測定などへの更なる展開でFig. 8 に SHG ， SFG ， RIXS の模式図を示す。 RIXS は等有利に働く。

方的な発光を基本的に検出するため信号強度が非常に弱く

本研究では，結晶が持つ大域的な反転対称性に基づくなる が， 共鳴 条件下 で位 相整合 条件を 満た せば大 きな

SHG 信号を共鳴効果により観測した。SHG は，その他に

SFG 信号をある方向のみに期待できる。そのため，RIXS

も磁気的構造の対称性の破れによる SHG 信号にも敏感での逆過程に相当する共鳴 SFG を使って，対称性の議論をある24) 。実際可視域では，線形の磁気光学応答では検出含む低エネルギー励起の研究という展開も，軟 X 線非線

できない反強磁性秩序に対する研究でも SHG が広く活用

形光学効果の応用として考えられる。

されてきた。双極子近似の範囲で，入射光の周波数の 2倍の分極成分は，P(2v)＝e0(x(i)＋x(c)）E(v)E(v)と書くことができ，非線形感受率は時間反転操作に対して符号測定試料 GaFeO3 は，東京大学有馬孝尚先生のグループ(c) に分けられる。本研究では，より近江毅志氏から提供いただいた。第一原理計算，非線x(i) 由来の SHG を観測したが，x(c) 由来の SHG 信号を検形感受率の計算は物性研究所赤井久純先生にご協力をいたを変えない x(i) と，変える

謝辞

x

出することで元素選択的，対称性磁気秩序に対する敏感

だいた。光電子分光測定では Photon Factory の組頭広志性を備えたプローブ手法への展開が考えられ，これは共鳴先生のグループ，吸収スペクトル測定では，UVSOR の繁軟 X 線回折25) に対する相補的な手法になり得る。また，

政英治先生， FEL での実験では，東京大学有馬孝尚先生

FEL の超短パルス性を生かして，磁気秩序の光誘起ダイのグループ，前東京大学物性研究所の和達大樹先生（現兵ナミクス26) を非線形光学効果でプローブすることで，非庫県立大学）のグループ，東京理科大学の小嗣真人先生の平衡状態での系の対称性の動的性質に迫ることも期待でき

グループ，東京大学物性研究所の辛埴先生，久保田雄也氏る。

（現高輝度光科学研究センター），山本達氏（物性研究所）

最後に，同じ 2 次の非線形光学効果の中から軟 X 線域との共同研究で行われた。また SACLA の XFEL 研究開の和周波発生（Sum Frequency Generation: SFG）の可能

発部門グループ，光学系グループと SACLA エンジニア

性を検討する。本研究では，二重共鳴条件が完全に満たさ

リングサポートチームにご協力頂いた。この場を借りて，れる理想的状況では， SHG 信号強度は更に 10倍増大する

深く御礼申し上げる。なお，本稿で紹介した実験は，以下ことが計算により予測されたが，この理想的な二重共鳴状の課題番号のもと行った。（ SACLA

態は， SFG でより容易に実現できると考えられる。 SHG

Photon Factory BL-2A: 2016G602）本研究は文部科学省・の場合は，同じエネルギーを持つ 2 つのフォトンを利用

JST「線自由電子レーザー施設重点戦略課題推進事業」

するが， SFG の場合には，異なるエネルギーを持つフォとして実施しました。

BL1:

2016B8078,

トンが混合する。そのため， 2 つのパルスの光子エネル

参考文献

ギーを調節することで完全に二重共鳴を満たすことができる。また SFG では SHG に比べ，より小さなパルス強度で実験可能なので5) ，試料損傷の観点では SHG より更に実験条件の制限が緩やかになる。また軟 X 線 SFG が，共鳴非弾性 X 線散乱（Resonant inelastic x-ray scattering:

1)
2)
3)
4)
5)

6)
7)

8)
9)
Fig. 8(Color online) Schematic diagram of electronic processesfor (a) second-harmonic generation (SHG), (b) sum-frequency generation (SFG), and (c) Resonant inelastic x-ray
scattering (RIXS). (a), and (b) is the coherent process andtwo seed photons interact in a medium. On the other hand,(c) is the sequential process where a low-energy excited stateis passed by.

312 ● 放射光 Nov. 2019 Vol.32 No.6

10)

11)
12)

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著者紹介
山本真吾

松田

ドレスデン強磁場研究所 博士研究員
E-mail: s.yamamoto＠hzdr.de
専門固体物理，強磁場下の X 線磁気分
光［略歴］
2017 年 3 月東京大学大学院理学系研究科
物理学専攻単位取得退学。博士（理学）2017 年 4 月物性研究所松田巌研究室特任研究員。2017年 6 月より現職。

東京大学物性研究所 准教授
E-mail: imatsuda＠issp.u-tokyo.ac.jp
専門表面物理，低次元物性，物理化学，
放射光科学
［略歴］
2001 年 3 月東京大学大学院理学系研究科
化学 専攻 博士 課程 修了 。博 士（ 理学 ）。
2001 年 4 月 日 本 学 術 振 興 会 特 別 研 究 員（ PD ），スイス国チューリッヒ大学にて研究。 2001 年 9 月東京大学大学院理学系 研究科助教。 2006年 12 月東京大学物性 研究
所助教授/准教授，現在に至る。

巌

Soft-x-ray nonlinear optical phenomena observed
at SACLA
Shingo YAMAMOTO

Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD-EMFL), Helmholtz-Zentrum DresdenRossendorf, 01328 Dresden, Germany

Iwao MATSUDA

The lnstitute for Solid State Physics, The University of Tokyo, 515Kashiwanoha, Kashiwa 2778581

Abstract

We present results of soft-x-ray second-harmonic generation from a bulk transition-metal oxidewith lack of space-inversion symmetry. In the visible and the hard-x-ray range, coherent ampliˆcation of nonlinear signals has been used in a transmission geometry. However, soft-x-ray light put
limitations on the transmission geometry due to its strong absorption by materials. Here, we observed the second harmonics in a re‰ection geometry through the combination of an ultrabrilliant
soft-x-ray free-electron laser and the inner-shell resonant-enhancement eŠect. This resonant
scheme in the soft-x-ray range provides information on inversion symmetry with element selectivity. In addition, future prospects of the soft-x-ray nonlinear-optical eŠects will be discussed.

放射光 Nov. 2019 Vol.32 No.6 ● 313