原子1個の内部電場の直接観察に成功

ポイント

• 最先端走査型透過電子顕微鏡（STEM）法と独自開発の多分割型検出器により、金原子1個の内部に分布する電場の直接観察に世界で初めて成功した。
• これにより、電子顕微鏡で単一原子の内部構造を直接観察することが可能になった。
• 単一原子の内部構造の可視化により、さまざまな分野におけるナノテクノロジー研究開発が格段に向上することが期待される。

＜研究の背景と経緯＞

電子顕微鏡開発の歴史は、「人間が小さな世界をどこまで拡大して見ることができるのか」という根源的な問いの追求の歴史です。１９２０年代にドイツで最初の概念が考案されて以来、電子顕微鏡の開発は８０年以上にわたって脈々と続けられてきました。電子顕微鏡は、光（可視光線）よりはるかに波長が短い電子を用いて、光学顕微鏡では見ることのできない微細な対象を拡大し観測する装置です。電子顕微鏡法の一種である走査型透過電子顕微鏡法（ＳＴＥＭ、図１）は、薄膜試料上で電子プローブ^注４）を走査しながら、その各点からの透過散乱した電子を検出器で検出して拡大像を観察する電子顕微鏡法です。このＳＴＥＭ法では、電子プローブの大きさによってその分解能が決まりますが、現在の最先端レンズ技術によって０．０５ナノメートル以下の分解能が達成されています。また、電子プローブが原子によって散乱された信号を検出するため、原子そのものを可視化することが出来ます。しかし、さらにその先の原子内部の構造（原子核とそれを取り巻く電子雲）を電子顕微鏡で直接観察することは極めて困難であると考えられてきました。

＜研究の内容＞

今回、柴田准教授らのグループは、０．０５ナノメートル（ｎｍ）以下の分解能を有する最先端ＳＴＥＭと独自開発の多分割型検出器を用いることにより、金原子１個の内部に分布する電場を可視化することに世界で初めて成功しました。原子内部のプラスの電荷をもつ原子核とマイナスの電荷をもつ電子雲との間の電場（図２）によって影響をうけた電子線の進行方向の変化（角度や位置）を分割型検出器で検出することにより（図３）、原子内部にどのように電場が分布しているのかを直接観察することが出来ます。この方法により、原子内部のプラスの原子核からマイナスの電子雲に向かって電場が湧き出している様子を捉えることに成功しました（図４、図５）。この結果は、これまで原子の観察に留まっていた電子顕微鏡を、原子の内部構造までをも直接観察することのできる顕微鏡へと大きく進化させる画期的な成果です。

＜社会的意義・今後の予定＞

現在、電子顕微鏡は、物理化学、電子情報工学、材料科学、生命科学などの先端的基礎研究分野や半導体デバイス、医療、ＩＴ、創エネ・省エネなどの多様な産業分野において広く利用されています。電子顕微鏡性能の向上は、こうした分野、特にナノテクノロジー研究開発の水準と研究開発効率を格段に向上させる原動力であり、日本の産業力とも直結する重要な課題です。今回の研究により、単一原子の内部構造までをも直接観察できるようになったことは、日本の電子顕微鏡技術が世界一の水準にあることを示すだけでなく、さまざまな分野におけるナノテクノロジー研究開発を格段に向上させる契機となることが期待されます。また、原子内部の電場を直接観察できるということは、原理的には原子内部における電荷の分布状態を直接観察できることを意味しており、今後のさらなる進展により原子同士を繋ぐ結合の直接観察にも繋がる大きな一歩であると考えられます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）

細く収束させた電子線を試料上で走査し、試料により透過散乱された電子線の強度で、試料中の構造を直接観察する装置。現在、原子の直接観察も可能である。電子顕微鏡は、光学顕微鏡の線源（可視光）による原理的分解能（およそ１マイクロメートル）の限界を、電子の波としての性質を利用して突破した観察装置であり、量子力学の恩恵を最も直接的な形で応用展開した観察技術。

注２） 分割型検出器

ＳＴＥＭの検出器の一種で、試料から透過散乱された電子線を検出するための検出器。この際、検出面を複数の検出領域に分割することにより、電子線の微小な軌道変化を捉えることができる。

注３） 電場

電界ともいい、電磁気的な作用を及ぼす空間やその空間の性質。

注４） 電子プローブ

電子銃から放出され、レンズによって縮小されて、試料に照射される細い電子線のこと。最先端ＳＴＥＭでは、電子プローブを直径０．０５ｎｍ以下にまで細く絞りこむことができる。

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