SPring-8 シンポジウム 2024 講演要旨リスト

セッションⅡ 施設報告
SPring-8 / SACLAの現状
坂田 修身（高輝度光科学研究センター）
SPring-8Ⅱに向けて
矢橋 牧名（理化学研究所、高輝度光科学研究センター）
SPring-8利用制度改正について
木村 滋（高輝度光科学研究センター）

セッションⅢ SDGs実現に向けた放射光・FEL-1
半導体製造装置メーカーとしてのSDGs実現に向けた取組み 〜 放射光測定技術の活用と期待 〜
長坂 恵一（東京エレクトロン株式会社）
ナノビームX線回折で観る半導体材料・デバイスの微細構造
酒井 朗（大阪大学）

セッションⅣ パネルディスカッション

将来光源（SPring-8-Ⅱ）を活かした実験・利用制度についてパネリスト
長坂 恵一（東京エレクトロン株式会社）、酒井 朗（大阪大学）、
戸田 裕之（九州大学）、高山裕貴（東北大学）、
矢橋 牧名（理研、JASRI）、永村 直佳（物質・材料研究機構）、調整中

セッションⅤ SDGs実現に向けた放射 光・FEL-2
ナノスケール界面制御による水素化反応の促進
山内 美穂（九州大学）
易リサイクル性エラストマーの変形挙動解析
小椎尾 謙（九州大学）
構造・機能材料のマルチディメンジョン・マルチスケール・マルチモーダルイメージングとその金属工学での応用例
戸田 裕之（九州大学）
界面反強磁性スピンの電界制御と放射光ナノ磁気計測
白土 優（大阪大学）

セッションⅥ データサイエンスを用いた最先端計測解析
ベイズ計測とSPring-8全ビームラインベイズ化計画
岡田 真人（東京大学）
キルヒホッフマルコフ確率場によるリチウムイオン電池の充放電反応過程の解析
青西 亨（東京大学）
SPring-8データセンターの運用状況について
初井 宇記（理化学研究所）
1

セッションⅧ YSA 受賞講演
Two-way approach for sub-atomic molecular structure visualization with X-ray and electron crystallography
高場 圭章（University of Vienna）
放射光振動分光によるナノ閉じ込め効果の検証
橋川 祥史（京都大学）
放射光を駆使した負熱膨張物質の多角的評価・物質設計
西久保 匠 （神奈川県立産業技術総合研究所）

2

SPring-8 シンポジウム 2024

SPring-8-II に向けて理化学研究所 放射光科学研究センター
矢橋 牧名
SPring-8-II 高度化計画は､第 4 世代放射光源として硬 X 線領域で世界最高クラスの輝度を実現しながら､施設全体の大幅なグリーン化を推進するものである｡また､拡大する利用機会を活かして新たな利用の仕組みを導入するとともに､良質かつ大量のフィジカルデータの創出源としてスパコンとの連携活用を標準化し｢未来予測の科学｣のプラットフォームを構築する｡
昨年度の文部科学省の SPring-8 高度化に関するタスクフォースの答申等を受け､今年度は高度化開発費が措置され､加速器のプロトタイプシステムの開発が進んでいる｡目下､来年度からの本格整備開始に向けた取り組みがなされており､順調に進むと､2027 年度後半からの 1 年間のシャットダウンを経て､2029 年度から SPring-8-II の利用運転の開始を予定している｡
SPring-8-II に向けた新たな利用の枠組みとして､従来の学術利用､産業利用とともに､国の課題に対する戦略的利用を積極的に推進する仕組みの導入が重要となっている｡本講演では､これらの 3 つの軸を発展させるための基本要
素と取り組みの状況を紹介する｡また､ユーザーニーズに応え続ける不断の高度化を実現するため､利用料収入の位置
づけと内容の改正を計画しており､その基本的な考え方も合わせて紹介する (具体的な方策については木村滋･
JASRI 利用推進部長の講演を参照)｡
まず､学術利用においては､従来より､通常の利用に加えて､利用者自身による装置･手法開発が実施されてきたが､より迅速な共用装置整備につなげるために､理研では､SACLA/SPring-8 基盤開発プログラムを立ち上げた｡これまで､
高温高圧下における液体の動径分布関数計測システムをはじめとするいくつかの装置が整備され､重要な利用成果も上がっている｡また､SPring-8 の利用を通した人材育成において､学生や若手研究者が試行錯誤できる場の確保が重要という指摘がなされており､SPring-8-II の一部ビームラインの活用の可能性について検討を進める｡さらに､大学と施設が連携しながら若手人材を育成することは極めて重要であり､様々なレイヤーでの施策の検討が必要である｡
次に､産業利用に関しては､いくつかの類型に分けて施策を検討する必要がある｡まず､大口ユーザーに関して､従来は専用施設を建設･所有してビームタイムを確保するという所謂｢ストック｣方式が主流であったが､最近､理研ビーム
ラインにおいて利用料を対価に大口ビームタイムが確保可能な｢フロー｣方式の制度を整備し､多数の活用を頂いている｡一方で､新規･潜在ユーザーにとっては､SPring-8 の有効性を検証可能なフィージビリティスタディ(FS)の場が重要であり､このための施策を今後検討していく｡一方で､利用企業自身によって､SPring-8 の有用性を広く社会に発信頂くことは極めて重要であり､これを促進する施策を検討している｡
最後に､国の戦略的利用を推進する場として､共用･専用ビームラインとともに､理研ビームラインの活用が重要である｡上述の｢フロー｣方式を基盤にしながら､半導体､GX､環境､インフラをはじめとする重要課題にしっかりと応えていくための仕組みの構築を図っていく｡経済安全保障の観点からは､セキュリティを強化した周辺基盤の整備も重要となる｡一方で､理研ビームラインは､先端的な R&D の場として､SPring-8 の国際競争力向上のために極めて重要な役割を果たしてきており､今後もこの機能をさらに発展させていく｡
このように､多数の階層において様々な検討が行なわれているが､多くがたたき台の段階であり､今後様々なステー
クホルダーと議論を重ねていく必要がある｡本講演並びにパネルディスカッションを通して､ユーザーコミュニティの皆様との議論を深めながら､今後の施策立案に反映させていきたい｡

SPring-8 シンポジウム 2024

O-03

SPring-8 利用制度改正について
JASRI 利用推進部
木村 滋
2024 年 3 月 19 日付けで、国の科学技術・学術審議会 研究・計画評価分科会 量子科学技術委員会 量子ビーム
利用推進小委員会より「大型放射光施設 SPring-8-Ⅱの整備及び我が国放射光施設の今後のあり方について」の報告書がとりまとめられました。1) その中の「SPring-8-Ⅱに向けたユーザー利用環境等の高度化」に関して、「データ取得効率の向上やデータ量の増加に対応すべく、データセンター利用制度のアップデート等を進める」、「利用料金制度をアップデートし、運営費回収分に加え、施設が提供する価値相当分の受益者負担も可能となるよう、その考え方を時代に即したものとする」等の提言がなされました。
これを受け、理研、JASRI では利用制度改正タスクフォースを立ち上げ、利用制度改正案をとりまとめました。な
お、本改正案については、第 40 回 SPring-8 選定委員会（2024 年 7 月 30 日開催）に諮られ、承認を得ました。以
下に改正案の概要を記します。
1. 利用料収入の位置づけの再定義及び料金体系の改正
持続的な高度化を推進しながら旺盛なユーザーニーズに応え続けるために、「運営費回収方式」に加え、施設が提供するサービス等の価値に相当する分の受益者負担も可能とする利用料金制度に改正。
2. 成果準公開利用（プロモーション利用試行版）の導入
企業ユーザーの成果公開方法として、プレスリリースや学会発表などを選択できる制度を創設し、産業利用の多様な成果の発信を促進しながら、社会･産業界における SPring-8 の認知度の向上を目指す｡
また､本制度は､将来､SPring-8 の社会･産業界への間接広報を企業ユーザーにも広く担って頂く｢プロモーション利用｣を本格展開するための試行プログラムとしても位置づけ､施設と企業ユーザーとの効果的なタイアップの方法の検討を行う｡
3. 消耗品実費負担の改正
諸経費の高騰やユーザーサービスの拡充のために負担増をお願いする。
利用者サービスの拡充については、SPring-8-Ⅱでのデータ取得効率の向上やデータ量の増加を見据え、試料調製等を含めた実験の自動化・オートメーション化等の DX を行い、その運用に必要となる費用に充当。
本シンポジウムでは、上記 2025A 期からの利用制度改正について説明するとともに、検討の経緯、改正の趣旨、等も合わせて報告する予定です。
参考文献
1) 文部科学省 HP (https://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu2/090/houkoku/1406563_00001.htm)

SPring-8 シンポジウム 2024

半導体製造装置メーカーとしての SDGs 実現に向けた取組み〜 放射光測定技術の活用と期待 〜
東京エレクトロン株式会社
長坂 恵一

半導体は，スマートフォンや自動車部品，通信・産業・医療機器など幅広く使用され人々の生活・社会活動に深く結びつき、産業技術革新，環境・エネルギーなども含まれる SDGs の実現にも切り離すことのできない技術製品となっています。
本講演では，半導体産業の概要や技術進化，半導体製造装置メーカーとしてSDGs 実現に向けた取り組み、および放射光測定技術について半導体開発への活用状況や今後の更なる技術発展の期待，要望などを発表いたします。

SPring-8 シンポジウム 2024

ナノビーム X 線回折で観る半導体材料・デバイスの微細構造
大阪大学 大学院基礎工学研究科
酒井 朗
半導体デバイスは半導体結晶・薄膜材料の進化と欠陥制御ならびにプロセス技術の飛躍的向上と共に発達してきた。
また、およそ 100 年の年月を経た X 線回折技術は、物質の構造を精緻に計測する実験手法として発展を遂げ、今や対象となる物質を問わず、多くの半導体材料・デバイスを非破壊に計測できる評価法として確立している。特にSPring-8 に代表されるシンクロトロン放射光施設における高輝度 X 線の光学系から発するナノメートル級サイズのプローブは、その高い空間分解能によって、従来のアンサンブル平均構造から、マイクロメートルを切る局所構造に照準した評価ツールとなった 1)。半導体電子・光デバイスの素子サイズの縮小とともに、局所領域の特異な物性が素子全体の性能に決定的な影響を与えると予測される現状では、このような微小 X 線プローブの活用価値が今後とも一層高まると考えられる。
本講演においては、これまでに我々が利用してきた SPring-8 硬 X 線アンジュレータビームライン（BL13XU）に構築されているナノビーム X 線回折（nanobeam X-ray diffraction: nanoXRD）測定系において、主に IV 族半導体
および窒化物半導体の結晶材料およびデバイスに対して、「３次元」を軸に定量的構造解析評価を行った結果を紹介する。微小プローブが可能にする高い空間分解能での位置依存 nanoXRD 測定から得られる３次元の結晶性―格子面
傾斜・回転・歪およびそれらの揺らぎに対するローカルな視野での構造解析 2-6)のみならず、ローカルとグローバルの中間域を成すセミローカル領域での３次元構造解析にも注目する。特に、観測試料に対する X 線の侵入長の範囲で平均化された回折波から、膜や結晶の深さ位置に依存する結晶性情報を読み出すトモグラフィック解析法 7-9)について報告する。また、近年試みている、シンクロトロン放射光の特徴の一つであるパルス時間構造を活用したオペランド
計測についても述べる。ここでは、放射光パルスと同期させたパルス電圧印加技術および放射光パルスに対する印加電圧の位相を変化させるポンプ‐プローブ計測法を駆使し、窒化物半導体系HEMT デバイスのゲート電圧印加に伴う格子構造変化を時分割で捉えた結果を紹介する 10)。
参考文献
1) S. Mochizuki et al., Thin Solid Films 508, 128 (2006).
2) K. Ebihara et al., Solid-State Electronics 60, 26 (2011).
3) S. Kamada et al., Appl. Phys. Express 9, 111001 (2016).
4) S. Mochizuki et al., J. Appl. Phys. 122, 135705 (2017).
5) T. Onabe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 63, 02SP61 (2024).
6) T. Hamachi et al., J. Appl. Phys. 135, 225702 (2024).
7) K. Shida et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 13726 (2017).
8) K. Shida et al., Semicond. Sci. Technol. 33, 124005 (2018).
9) K. Shida et al., J. Appl. Phys. 123, 161563 (2018).
10) H. Shiomi et al., Appl. Phys. Express 14, 095502 (2021).

SPring-8 シンポジウム 2024

ナノスケール界面制御による水素化反応の促進
九州大学先導物質化学研究所
山内美穂
物質に化学エネルギーを付与する水素化反応を効率よく行うことは、持続可能な化学プロセスを構築するために重要である。我々は、水素が関わる反応特性を制御するため、界面の組成、配列、構造についての制御因子を探索している。本発表では、はじめに、水を水素源とする電気化学的 CO2 還元反応（eCO2R）を促進するナノ金属表面の制御
要因について議論する。
eCO2R におけるカソードとして、水酸化物を出発原料とする Cu 電極（OH/Cu）が、C2+化学物質に対する高い選択性を示すことが知られている。一般的に、物質の還元特性は、その表面の電子供与性すなわち仕事関数（WF）と関連づけられる。我々は密度汎関数法に基づく量子化学計算を用いてOH が存在する場合の Cu 表面の仕事関数を求めた 1)。低い OH 被覆率（1/9–2/9）の場合はCu 表面と比較して小さい WF 値を示すのに対して、4/9 を超える場合はより大きい WF 値をとる非線形的な傾向があることが明らかとなった。そこで、我々は、表面に存在する OH 量が大きく異なる三つの電極を準備した。一つはごくわずかな OH が存在すると考えられる Cu 箔、他の二つは、電気化学的に酸化された Cu 箔を異なる条件で還元した M-OH/Cu および L-OH/Cu である。作製した電極の走査電子顕微鏡観測から、M-OH/Cu および L-OH/Cu の表面には針状のナノ構造が形成されており、銅箔表面は比較的平坦であることがわかった。次に、リニアスウィープボルタンメトリーにより表面に吸着されたOH 量を調べた、銅箔にはほとんど OH は吸着されていないが、L-OH/Cu 表面上のOH 量は M-OH/Cu 表面と比較して 4.7 倍多いことがわかろ、Cu 箔は高い CH4 生成選択性を示した。また、M-OH/Cu

80

は、ファラデー効率（FE）が 71%という高い C2+生成の選択性を示した。これらの結果は、Cu 電極上での eCO2R に

pH6 C2+ pH1 C2+

H2

-1.2
-1.5
-1.8

60

-2.1

40

-2.4
20

は表面 OH が大きな影響を与えることを示している。さら0に、超薄超疎水性マクロポーラス層を備えた Cu ベースのガE (V vs RHE)100

FE (%)った。次に、それぞれの電極の eCO2R 活性を評価したとこ

-2.7
-0.3

-0.6

-0.9

-1.2

-1.5

-1.8

j (A cm-2)

ス拡散電極（Cu-GDE）を作製した（図１）。Cu-GDE 表面

Fig. 1 Cu-GDE and its eCO2R performance.

上は、強酸性条件で eCO2R を行った場合でも、強アルカリ

図 1 Cu-GDE とその触媒性能性の状態にあり、87%の高いファラデー効率で C2+化合物が生成されることが明らかとなった 2)。
アモルファス構造の IrOx ナノ粒子が担持された TiO2 電極は H2O を酸化するアノードとして高い活性を示すことを明らかにしている。その要因を調べるために佐賀 LS の九大 BL において電圧印加下におけるその場 XAS 測定を行ったところ、OH 基が露出している TiO2 に担持されたアモルファス IrOx ナノ粒子上では、H2O 酸化の活性種である Ir5+が電場の印加により瞬時に生成するために、小さな過電圧であっても触媒活性を示すことが明らかとなった 3)。
参考文献
1) M. Sun, A. Staykov, M. Yamauchi, M. ACS Catal., 12, 14856-14863 (2022).
2) M. Sun, J. Cheng, M. Yamauchi, Nat. Comm., 15, 491 (2024).
3) S. Kitano, T. G. Noguchi, M. Nishihara, K. Kamitani, T. Sugiyama, S. Yoshioka, T. Miwa, K. Yoshizawa, A.
Sadykov, M. Yamauchi, Adv. Mater.,34,16 (2022).

3

SPring-8 シンポジウム 2024

易リサイクル性エラストマーの変形挙動解析
九州大学先導物質化学研究所
小椎尾 謙
１．はじめに
持続可能な社会を構築するために、高分子材料の分野においても、作製時点で使用後のことを考えた材料設計が進められるようになっている。使用後に要求される性質としては、原料に戻す方法や再成形する方法などを有することが挙げられる。しかしながら、再利用の方法は決して十分確立されていない。このことを改善するために、熱可塑性のブロック共重合体の使用が挙げられるが、強度が不十分な場合が多い。内部構造変化と強度は密接に関連しているため、変形過程における構造評価を行うことは極めて重要である。
本発表では、熱可塑性エラストマーとして、ポリスチレン-ポリエチレンブテン-ポリスチレントリブロック共重合体(SEBS)の一軸および二軸伸長試験下におけるミクロ相分離構造変化を放射光小角 X 線散乱(SAXS)/広角
X 線散乱(WAXS)測定に基づき評価した例を紹介する。
２．トリブロック共重合体エラストマーの変形挙動解析
試料として、PS 成分が 13 wt%の SEBS（数平均分子量(Mn) = 112,000、Mw/Mn= 1.46）を用い、プレスしてシートを調製した。その後、170˚C、7 日間熱処理した。各種変形様式下での力学変形印加時におけるミクロ相分離構
造変化を、大型放射光施設 SPring-8 の BL05XU および BL40XU におけるその場 SAXS 測定に基づき解析した。
図 1 は、SEBS の一軸伸長および二軸伸長変形過程の応力-ひずみ曲線である。一軸変形と二軸変形より得られた試料に印加した際の引張弾性率（Euni および Ebi）は、それぞれ 1.3 および 2.6 MPa あった。これらの値は、線形弾性理論より求められる、Ebi = 2 Euni の関係とよく一致している。また、二軸伸長変形時の破断ひずみおよび破断応力は一軸伸長変形時のそれらと比較して小さい値を示した。図 2 は、(a)一軸および(b)二軸伸長変形過程における SEBS の5の(110)、(200)、(211)面などに由来する 6 つの回折が明確に観測された。

4

また、PS のスフィア構造に由来するフォームファクターによる散乱も顕著に観測された。一軸伸長に伴い、体心立方格子に由来する回折ピーク
は、伸長方向に平行な場合は低角側へ、垂直な場合は高角側へシフトした。一方、二軸伸長の場合、両方向共に低角側へシフトした。二軸伸長のStress (MPa)SAXS プロファイルである。初期状態のプロファイルにおいて、体心立方格子

uniaxial

3

biaxial21

場合は、面内で拡張的で等方的な構造変化が生じたと示唆される。また、
6 8 10 12
Strainが、二軸伸長変形では、等方的な低角側へのシフトが観測された。モデル 図1 SEBS の一軸および二軸伸長変形
計算に基づき解析した結果、球状の PS ドメインが、前者では長楕円体に、 過程における応力―ひずみ曲線

フォームファクターについて、一軸伸長変形では両方向で異方的な変化

0

2

4

後者では偏楕円体に変形していることが明らかとなった。さらに、詳細な解析を行うことで、トポロジカルな架橋も共存していることが示された。こ
れらの情報は、より高強度なエラスト
マーの設計指針になると期待される。
参考文献
1) Macromolecules, 53, 8901 (2020).
2) Polym. J., 53, 703 (2021).
3) J. Phys. Chem. Lett., 14, 10019 (2023).

(a)(b)
図2 SEBS の(a)一軸および(b)二軸伸長変形過程における SAXS プロファイル
一軸伸長変形では伸長方向に平行および垂直方向、二軸伸長変形では二つの伸長方向のプロファイル
4SPring-8 シンポジウム 2024

構造・機能材料のマルチディメンジョン・マルチスケール・マルチモーダルイメ
ージングとその金属工学での応用例
戸田裕之（九州大学 機械工学部門 １，京都大学 材料工学専攻 2, 鳥取大学 工学系部門 3
戸田裕之１、藤原比呂１、平山恭介 2、清水一行 3 ）SPring-8 の特長である高輝度・高エネルギーＸ線は、金属などの構造・機能材料を 3D イメージングするのに適している。ただし、単に X 線マイクロ・ナノトモグラフィーの技法を用いて1 枚の内部 3D 画像を取得するのではなく、SPring-8 の特性を活かし、材料が用いられる荷重や温度ないしそれらの変化、雰囲気などの各種外乱下で連続的に 3D 画像を取得することが重要になる（マルチディメンジョン計測 1））。SPring-8 では、X 線顕微鏡を利用した高分解能観察（結像型 X 線 CT）を従来から用いられている投影型 X 線 CT と組み合わせて 1 つのビームライ
ン、1 つのビームタイムの中で随時切り替えて利用するマルチ

図 1． マルチスケールイメージングに他の 3D 計
測技法を組み合わせたマルチモーダル計測例

スケール計測（図 1）が利用できる 1)。これに加え、結晶学的な情報（X 線回折）、微細組織（X 線小角散乱）、化学成分分布（蛍光X 線 CT 等）などの情報を三次元的に取得する各
種技法を組み合わせるマルチモーダル計測（図1）も今後、益々重要になると思われる1)。
この講演では、高低 2 水準の空間分解能の X 線 CT と特殊な X 線回折とを組み合わせた我々の実験例を紹介するとともに、それを鉄鋼の歪誘起相変態、およびアルミニウムの水素脆化に適用した例を紹介する。前者では、鉄鋼材
料の二相組織を位相コントラスト X 線 CT でイメージングすると同時に、X 線回折で得られた情報から結晶粒の結晶方位を決定して割り当てた。そして、歪誘起相変態や損傷挙動の結晶方位依存性を明らかにすることができた。また、アルミニウム合金の水素脆化の研究では、イメージングできる粒子や空洞などに加え、直接観察ができない転位や原子空孔等の格子欠陥のバルク在中での 3D/4D 分布を明らかにし、これに第一原理計算による水素トラップエネルギ
ー導出を組み合わせ、材料中の水素の局所分布の推定を可能にした2)。これに基づき、水素脆化や応力腐食割れ、湿潤環境下の疲労破壊など、水素が関与する現象の工業的な防止方法の提案にまでつながっている2)。

図 2． 塑性歪のマッピングに基づく転位密度4D マッピングの例（アルミニウム合金）2)
このように、マルチディメンジョン・マルチスケール・マルチモーダルなイメージングは、学術の深化から産業への波及効果まで、構造・機能用金属材料などで大きな効果が得られる。SPring-8 の高輝度化、高エネルギーなどのさらなる進歩は、このようなマルチモーダル化を強力に後押しするものと期待される。
参考文献
1) 戸田裕之, X 線 CT 産業・理工学におけるトモグラフィー実践活用, 共立出版, (2019).
2) Wang, Sharma, Xu, Shimizu, Fujihara, Hirayama, Takeuchi, Uesugi, Cheng and Toda, Nature Commun., 13(2022), 6860.
5

SPring-8 シンポジウム 2024

界面反強磁性スピンの電界制御と放射光ナノ磁気計測
大阪大学 大学院工学研究科
白土 優
磁性材料は、発電機やモーター等の電力機器からハードディスクドライブ、磁気ランダムアクセスメモリ等の情報
デバイス、MRI 等の医療機器に渡って広く用いられている機能性材料である。磁性体には、大別して強磁性体と反強磁性体があり、磁気機能のほとんどは強磁性体の磁化が担ってきた。一方、反強磁性体は、単位格子内で磁気モーメ
ントが相殺されるため正味の磁化を示さず、このため、工学的には利用価値に乏しい材料と考えられてきた。しかしながら、反強磁性体においても、表面・界面において非補償磁気モーメント等により内部とは異なる磁気状態が存在し、その検出・制御を基にした反強磁性体の機能開拓が進められている。情報デバイス等においては薄膜にすること
でその機能を発現することが多く、界面効果の増大が期待される。特に、反強磁性体においては、バルク磁化を示さないことから通常の磁化計測によるスピン検出が難しく、界面反強磁性スピンの微小シグナルを多数の積層構造から元
素選択的に検出することが必要になる。この点において、放射光を用いたスピン計測は強力なツールとなっており、スピ
ンバルブ薄膜や磁気トンネル接合膜に利用されている交換
バイアスの起源解明 [1,2] など、様々な成果が上げられてきた。また、昨今の反強磁性スピントロニクスの勃興により、反強磁性体における外部磁場に対する堅牢性や隣接磁気モーメント間の強い交換結合磁場に起因する超高速スピンダ
イナミクスの利用等、反強磁性スピンの静的・動的機能開拓が加速しており、放射光を用いたナノスピン計測は、価電子状態・スピン状態の解明に加えて、界面スピンの可視化技術、
ダイナミクス計測等、今後もますます重要になるものと思われる。我々は、反強磁性体の機能開拓として、電気磁気効果（Magnetoelectric: ME）に基づく界面反強磁性スピンの電界制御に取り組んでおり、界面スピン依存伝導を用いたネール
ベクトルの方位検出 [3,4]、低膜厚化による界面反強磁性ス
ピンの等温制御 [5]、電界による反強磁性スピン反転磁場の高効率変調と界面電気磁気効果 [3]などを報告してきた。本
講演では、X 線磁気二色性を主な検出手法とした我々の主な成果として、電気磁気効果反強磁性薄膜の界面スピン状態、
外部磁場によるスピン反転過程の可視化（図１）を中心に、

図1 (a) 異常ホール効果を用いた界面反強磁性スピ
ン検出 [3,4]、(b) 軟X 線磁気円二色性による界面反強磁性スピン検出 [5] と(c) 軟X 線ナノビームによる界面反強磁性スピン反転プロセスの可視化 [4]最近の成果を紹介する。
参考文献
1) M. Tsunoda et al, Appl. Phys. Lett. 89, 172501 (2006).
2) Y. Shiratsuchi et al., Phys. Rev. Lett. 109, 077202 (2012).
3) T. Moriyama, Y. Shiratsuchi, et al., Phys. Rev. Appl. 13, 034052 (2020).
4) K. Ujimoto, Y. Shiratsuchi et al., , Appl. Phys. Lett. 123, 022407 (2023).
5) K. Ujimoto, Y. Shiratsuchi et al., NPG Asia Mater. 16, 20 (2024).
6

SPring-8 シンポジウム 2024

O-10

ベイズ計測と SPring-8 全ビームラインベイズ化計画
東京大学・大学院新領域創成科学研究科
岡田真人
本講演では、統計学のベイズ推論を計測科学向けにコンパクトな形で再構成した情報数理科学的体系であるベイズ計測と、そのベイズ計測
SPring-8 の JASRI 担当分の 26 本のビームラインへの適用について解説する。ベイズ計測は、三種の神器と呼ばれる、(a) 物理パラメータの事後確率推定、(b) 同一データを説明する複数モデルをデータのみから選べる
ベイズ的モデル選択、(c) 同一物質に対する複数の実験データを系統的に統合するベイズ統合の三つの要素から構成される。特に(b)のベイズ的モ

図 1：多峰的スペクトル

デル選択と(c)のベイズ統合は、計測科学上必須であるにもかかわらず、
これまでの全ての解析手法が取り扱えなかった対象である。
直線回帰 y=ax+b にベイズ計測を導入し、従来の最小二乗法によるパラメ
ータフィットと何が違うかを平易に説明する1)。次に図 1 の多峰的スペクト
ルを図 2 のように単峰関数の線形和で洗わずスペクトル分解を、非線形な計測系の典型例として取り上げる。非線形な計測系では、上記の線形回帰のよ
うに解析的にベイズ計測を行うことができない。そこで数値計算のレプリカ
交換モンテカルロ法を用いて、(a) 事後確率推定と(b)図 2 の中で適切な K を求めるベイズ的モデル選択を行う 2-4)．
スペクトル分解で用いた手法は、全ての分光スペクトル解析に用いることができる。そこで我々は、SPring-8 全ビームラインベイズ化計画を立案
し、JASRI が担当する 26 本のビームラインにベイズ計測を導入している。直線回帰やスペクトル分解だけでなく、ビームラインの担当者が日々扱っている対象に対し、ベイズ計測が質的に異なるメリットがあることを示し、ベイズ計測を一気に SPring-8 に普及する作戦である。現在のところ、JASRI 担
当の 26 本のビームライン中 14 本となり、共用ビームラインの半数を越えた。その具体例として、私の学生が主に進めたメスバウアー分光、小角散乱

図 2：モデル選択を紹介し、2023 年度 JASRI 理事長賞を受賞した横山優一の階層モデリングによる時分割 X 線回折についても紹介する。最後に、SPring-8/JASRI におけるデータサイエンスを用いた最先端計測解析に関する展望を述べる。
参考文献
1) Katakami, Kashiwamura, Nagata, Mizumaki and Okada: Mesoscopic Bayesian Inference by Solvable Models,

2)
3)
4)

5)

https://arxiv.org/abs/2406.02869
Nagata, Sugita and Okada: Bayesian spectral deconvolution with the exchange Monte Carlo method.
Neural Networks, 28, 82-89, 2012.
Tokuda, Nagata and Masato Okada: Simultaneous estimation of noise variance and number of peaks in
Bayesian spectral deconvolution, J. Phys. Soc. Jpn 86(2) 024001]Nagata, Muraoka, Mototake, Sasaki, and Okada: Bayesian Spectral Deconvolution Based on Poisson
Distribution: Bayesian Measurement and Virtual Measurement Analytics (VMA). J. Phys. Soc. Jpn. 88,
04403, 2019
Yokoyama, Kawaguchi, Mizumaki: Bayesian framework for analyzing adsorption processes observed
via time-resolved X-ray diffraction, Sci. Rep. 13, 14349, 2023.

7

SPring-8 シンポジウム 2024

Two-way approach for sub-atomic molecular structure visualization with
X-ray and electron crystallography
Department of Inorganic Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Vienna
高場圭章
結晶回折測定で決定される 3 次元分子構造は通常原子座標として表現される. しかしながら, 物質の物理化学的性
質を考察するには電子の分布情報を得る必要がある. X 線回折には本質的に試料の電子分布情報が含まれるが, 孤立原子との差異として実験的に特徴づけるには, 原子分解能を超える高い測定・解析精度が要求される. 測定試料から良質な回折像が得られるのであれば, タンパク質のような高分子中でも電子分布を実験的に特徴づけることができる[1]. 一方, 小さな有機化合物であっても, 結晶化が難しい, あるいは材料特性として結晶性を制御している場合など,
原子座標決定さえ困難が伴うケースは頻発する. このような高難度試料から最大限に構造情報を引き出すために, 放射光を含め線源・線種を適切に活用することが期待される.
2010 年頃から, 微小な結晶を用いて構造決定するための手法として電子線回折法の開拓が進められてきた. 著者らは近年, 電子顕微鏡と検出器の効率的な運用による同法の改良に取り組んできた[2, 3]. 電子線と試料との大きな相互作用は強い回折を与えるが, 一方で透過距離も制限する. 試料によってこれが障害となり, 結晶性が認められても構造決定できないケースに直面していた. 他方, X 線自由電子レーザーによる回折法も微小結晶を用いた構造決定を可能にする. X 線吸収による試料損傷はパルス幅より長い時間スケールで進行すると考えられており, 高輝度パルス X
線を減衰無しで試料に照射できる. これまで高分子をターゲットとした研究が進められてきたが, 著者らは同法を低分子化合物解析に適用し,電子線解析では明らかにできなかった試料構造を決定できた[4]. また, X 線が電子によって散乱されるのに対して電子線はクーロンポテ
ンシャルで散乱される. 両者の測定情報が得られるのであれば, この差を利用したより詳細な構造情報の抽出が期待できる[5](図 1). このためにはそれぞれの特徴が区別可能なサブ原子分解能(< 1 Å)での測定・解析精度が前提であり, 両手法の改

図 1．X 線・電子線解析による微小結晶解析と得られた構造の例。両者の散乱過程を反映し, 水素原子は互いにわずかに異なる位置に観測される。

良と拡張が不可欠である. 本発表ではこれらの成果を紹介するとともに, 現状の課題と展望, 著者らの現在の取り組
みについて述べる.
参考文献
1) Takaba, K. et al., IUCrJ 6, 387 (2019)
2) Takaba, K., Maki-Yonekura, S., Yonekura, K. J. Struct. Biol. 211, 107549 (2020)
3) Takaba, K. et al., Front. Mol. Biosci. 7, 612226 (2021)
4) Takaba, K. and Maki-Yonekura et al., J. Am. Chem. Soc. 146, 5872 (2024)

5) Takaba, K. and Maki-Yonekura et al., Nat. Chem. 15, 491 (2023)
8

SPring-8 シンポジウム 2024

放射光振動分光によるナノ閉じ込め効果の検証
京都大学化学研究所
橋川 祥史
ナノ～サブナノ空間に閉じ込められることによってバルクには見られない現象や性質が出現することがある。これは「ナノ閉じ込め効果」と呼ばれるが、疎水性ポケットに存在する分子もしくは小分子クラスターなどがタンパク質の構造形成だけでなく生体機能発現の一役を担ってることや、炭素ナノ材料によって生み出されるサブナノ空間ではバルクには見られない特異な性質が相次いで報告されたことから、ナノ空間に閉じ込められた化学種の機能や役割について近年改めて注目されている。このようなナノ閉じ込め効果は、より複雑な材料である多孔質材料にも見られる。多孔質材料は、世界的な課題である二酸化炭素排出を解決する 1 つの手段として精力的に研究されている。細孔内の事象を分子レベルで解明することは真に機能する次世代材料の開発のみならず吸着分子の有効利用に繋がると期待されるが、複合相互作用をうける煩雑な細孔内部の現象を調べるのは通常困難である。
そこで我々は、内径約 3.8 Å の 0 次元空間をもつフラーレンに着目した。独自に開発した有機化学反応を用いて孔をもつ水酸化開口型フラーレンを合成し、1 分子の二酸化炭素を挿入した（図１a）。この実験系モデルに対して、SPring-8 BL43IR による放射光赤外分光に加えて、単結晶 X 線構造解析、理論化学計算を行ない、二酸化炭素が異常に

1000

1

圧縮される（ナノ閉じ込め）ことで、並進の自由度が消失し、回転運動がmHz 帯へと抑800

制され、伸縮振動が顕著に摂動を受けるこ600とがわかった。そのため、CO2 の IR バンド

400

0.8

0.6

は顕著に先鋭化した（図１b）。また、ガス放出の速度論と流体力学を組み合わせること

0.4

200

で、ナノ閉じ込め効果を受ける単一分子気0体の状態方程式を導出し、回転・振動によっ-200て生み出される圧力変化を実験的に見積もった（図１c）。その結果、ナノ閉じ込め系単
一 CO2 分子は、室温においてわずか 10–27 Pa

0.2

0

295

305

315

325

0

5

10

15

20

25

図１．(a) CO2@1の構造．(b) 放射光IRスペクトル．(c) 包接CO2の状
態方程式．(d) 会合定数．

の圧力を生み出すことがわかった。これは、分子運動論（並進運動のみを考慮）から導き出される一般的な気体の状態方程式では記述することのできない部分である。さらに、二酸化炭素包接により、吸着ホストである水酸化開口型
フラーレン自身の会合定数が約 1.6 倍向上することも明らかとした（図 1d）。すなわち、吸着ホストの物性を材料内部から制御可能なモジュレータとしての機能を吸着二酸化炭素分子に見い出すことができた 1。なお、我々は放射光
IR 振動分光を用いた単一水分子のナノ閉じ込め効果についても検証しているが、紙面の都合上ここでは詳細を省略
する 2,3。
参考文献
1) Yoshifumi Hashikawa,* Shumpei Sadai, Yasujiro Murata*, ACS Phys. Chem. Au 2024, 4, 143–147. (Selected as Front Cover)2) Yoshifumi Hashikawa,* Shumpei Sadai, Yuka Ikemoto, Yasujiro Murata*, Chem. Commun. 2024, 60, 1261–1264. (Selected as
Outside Back Cover)3) Yoshifumi Hashikawa,* Shumpei Sadai, Yuka Ikemoto, Yasujiro Murata*, J. Phys. Chem. A 2024, 128, 2782–2788.
9

SPring-8 シンポジウム 2024

放射光を駆使した負熱膨張物質の多角的評価・物質設計
神奈川県立産業技術総合研究所, 東京工業大学 科学技術創成研究院
西久保 匠
航空宇宙分野など温度幅の広い環境下で用いられる材料や、半導体製造など小さな変位でも致命的となるような分
野では、熱膨張による位置決めのずれや、異種接合界面の剥離が大きな問題となる。そのため、熱膨張を制御する技術が求められており、多くの研究がなされている。この熱膨張抑制技術の一つとして、負熱膨張物質の利用がある。
負熱膨張物質は一般的な熱膨張を示す材料に混合することで構造材料の熱膨張を抑制、制御することができることから、さまざまな分野への応用が期待される。中でも近年注目されているのは、相転移による大きな体積変化を利用した材料である。本研究では圧力下で不連続な巨大体積減少が起こる物質に着目し、放射光を活用した負熱膨張物質の詳細な結晶構造・電子状態・ドメイン変化といった多角的な視点からそのメカニズムを解明から物質のデザインまで行った。物質デザインとしては、電荷移動相転移により圧力下で 3%もの体積収縮を示す BiNiO3 と、圧力下で 1%の体積収縮を示す強誘電体BiFeO3 との固溶体を合成し、その評価を BL02B2 を用いた放射光 X 線回折、BL22XU を用いた放射光 X 線全散乱データから得た原子二対相関関数(PDF)解析、さらには BL09XU および BL47XU を用いた硬 X 線光電子分光実験により行うことで、2 つのメカニズムを併せ持つ負熱膨張物質を設計した 1,2)。また、強誘電相から常誘電相への相転移による負熱膨張に着目し、一軸加圧による強弾性ドメインの大きな変化を、BL02B2 を用いた放射光 X 線回折による観察 3)と行い、さらには最大の体積変化量を持つ負熱膨張物質のデザインと BL22XU でのブラッグコヒーレント X 線回折イメージングと電子顕微鏡像によるドメイン観察を行った 4)。BL10XU での高圧
下 X 線回折実験から求めた圧縮曲線から、相転移により引き起こされる負熱膨張の 2 相共存状態がドメイン境界に働く応力により安定化されることを明らかにした。このように放射光を駆使して結晶構造・局所構造・電子状態といったミクロなものからドメイン構造といったマクロなものまで多角的な視点から負熱膨張物性とメカニズムを評価
し物質デザインが有効であると示した。

図 1．負熱膨張物質の設計とマルチスケールでの多角的評価手法
1) T. Nishikubo et al., J. Am. Chem. Soc., 141, 19397 (2019)2) T. Nishikubo et al., Appl. Phys. Express 11, 061102 (2018)3) T. Nishikubo et al., Chem. Mater. 33, 1498 (2021)
4) T. Nishikubo et al., Chem. Mater. 35, 870 (2023)

10