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量子の世界を見ることへの挑戦〜世界最高の分解能を達成

最先端研究開発支援プログラム(FIRST)「原子分解能・ホログラフィー電子顕微鏡の開発とその応用」※


プロジェクトの中心研究者、
故・外村彰氏

ホログラフィーは、レーザー光を使った立体写真の記録技術です。電子ビームでも同じように、電子の持つ波の性質を生かして、干渉模様(ホログラム)をつくることができます。これを利用すると、通常の電子顕微鏡では見ることのできない磁場や電場を見ることができます。しかも、電子ビームの波長は光より短いので、光学顕微鏡では不可能な原子レベルの観察が可能になります。ホログラフィー電子顕微鏡は電子顕微鏡とホログラフィーを組み合わせたミクロな磁場や電場を見ることのできる顕微鏡です。

日立製作所は、ホログラフィー電子顕微鏡の第一人者、故・外村彰氏を中心研究者とする開発プロジェクト(中心研究者代行・長我部信行(おさかべ のぶゆき)氏)で新しく開発したホログラフィー電子顕微鏡において、43ピコメートル(ピコは1兆分の1)という世界最高の分解能を達成しました。世界トップクラスである日本の電子顕微鏡技術の伝統の上に立ち、挑戦し磨き上げた成果です。

特長は、超高圧電子顕微鏡では世界で初めて球面収差補正器を搭載し、分解能を高めたことです。電子レンズを通した像がぼやける収差の補正は、電子顕微鏡誕生以来の課題であり分解能向上の鍵でした。今回は、特に問題となる球面収差を取り除く補正器を安定した放出を実現した1.2メガボルト(メガは100万)の超高圧電子ビームと組み合わせました。

この装置を使って撮影した、青色発光ダイオードの材料にもなる窒化ガリウム結晶の顕微鏡像では、44ピコメートル間隔のガリウム原子が分離した状態で観察できます。高分解能であることに加え、磁場や電場の観察が可能なことから、磁石内部の微小な磁場計測による高性能磁気ヘッドの開発などへの活用や、最先端物質科学あるいは量子の世界を切り開く基礎科学の発展に貢献することが期待されます。

※JSTはFIRSTプログラム(内閣府)の本課題で研究支援担当機関に指名されました。


開発された電子顕微鏡の概観(正面)


窒化ガリウム結晶の観察例
44ピコメートル間隔のガリウム原子(赤色)が観察
できる。右下は原子モデル。