東京工業大学は2022年6月2日、筑波大学や名古屋大学などと共同で、光励起で起きる10兆分の1秒（100フェムト秒）以下の構造変化を観測できるテーブルトップサイズの電子線回折装置を世界で初めて開発したと発表した。装置は小型で、試料を損傷させることもほとんどないため、光メモリー、光エネルギー変換など各種光デバイス材料開発での活用が期待できる。
研究グループによると、開発した装置は大型の加速器を用いず、レーザーと小型加速器の精密制御による新たなパルス電子線発生技術を使っており、約50フェムト秒以下という、結晶材料中の原子や分子が振動する速さでの変化を高精度でコマ撮りできる。実際に装置を使って、単結晶Siに光があたるとSi原子がどのように動くのかを初めて撮影した。単結晶Siは典型的な半導体で、光デバイス開発に向けた基本的な情報を得たことになる。
東工大の研究グループは、微弱な光励起によって10兆分の1秒以下の超高速で特性（光学特性、磁性、誘電性）が劇的に変化する光誘起相転移材料を約35年間研究している。この過程で1～2兆分の1秒の時間スケールで原子や分子の運動を捉えることはできたが、光誘起相転移機構の解明のカギとなる10兆分の1秒以下の変化までは捉えられずにいた。
そこで、この技術課題に挑戦するために、筑波大や名古屋大などとともに集中的な共同研究チームを結成。約30cm角に収まる超小型加速器の温度を0.01℃の正確さで制御しつつ、そこに入力する電子パルス制御用RF電磁波の強度と位相を、電子線パルスの形に合うように精密に制御すれば、10兆分の1秒以下の変化を捉えられるとの結論に達した。
そこで、5G技術を活用して、超高精度RF発振器の電磁波によって、レーザーと超小型加速器の双方を精密制御する装置を開発。パルス幅10兆分の1秒以下のパルス電子線発生に成功した。
研究チームでは、今後も独自性を維持しながら、物質開発者にとって使いやすい装置を実現するため研究を継続していく。
今回の研究成果は5月31日、Review of Scientific Instrumentsにオンライン掲載された。
