1-nm-wide X-ray beams by developing millimeter-scale ultra-precision reflective optics

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【概要】本研究は世界で最も微細なX線ビームの実現を目標とし，2つの独自案を集光鏡設計に盛り込む．令和4年度は，1つ目の案「集光鏡の超小型化」の実証実験について，過去に例を見ない集光結果を確かめ，試料を多角的に評価可能な顕微手法を開発した．また，2つ目の案「反射膜を積層する多層膜構造の新設計」について，実現可能性がある方針を見出した．【具体的内容】集光鏡を超小型化すると，X線を小さいスポットに集め，かつスポットを理想的な状態に保持しやすくなる．しかし，集光鏡の半径を従来の数十メートルから150 mmと100倍以上急峻にする必要があり，加工・計測手法が確立していなかった．新たに作製方法を確立し，兵庫県の大型放射光施設SPring-8にて集光鏡の集光性能を評価した．光子エネルギーに依らない一定位置での理想集光を，軟X線領域で初めて実現し，集光サイズは最小20.4 nmに到達した．この特性を利用し，二色の軟X線を混合した微小集光スポットを形成した．本スポットを使った蛍光X線観察と新たに導出したアルゴリズムを使用し，試料密度・厚み・軽元素・金属元素の分布を同時に定量評価できる唯一の手法を開発した．また，多層膜構造の新設計について，フランスにある欧州大型放射光施設（ESRF）の研究者と議論・実験し，本構造が可能と思われる材料のペアを見出した．【意義】集光・顕微観察結果は共に世界随一である．提案する顕微観察法によって，従来観察された重元素分布に加え，軽元素と試料形状も同時に高分解能で定量評価できる．提案する多層膜構造は，各層が非常に薄いことが課題となっていた．検討中の材料であれば，その薄さを実現できると期待される．【重要性】例えば，薬粒子の場所を細胞内で追跡するナノ薬理動態分野への応用が期待され，さらなる空間分解能向上が見込まれる．