世界初の原子分解能電子顕微鏡で磁力の起源をとらえた ~磁石、半導体、量子技術など最先端マテリアル研究開発を加速~

2022/02/10

科学技術振興機構 (JST)
東京大学
日本電子株式会社

ポイント

  • 磁力の起源といえる原子周囲に発生している磁場の直接観察は極めて困難であった。
  • 新開発の原子分解能磁場フリー電子顕微鏡で、原子磁場の直接観察に成功した。
  • 今回の計測技術は、物質が示す磁性の解明などの基礎研究や、磁石、鉄鋼、半導体デバイス、量子技術などの最先端マテリアル研究開発を強力に推進すると期待される。

概要

JST先端計測分析技術・機器開発プログラムにおいて、東京大学 大学院工学系研究科 附属総合研究機構 柴田 直哉 機構長・教授と日本電子株式会社 EM事業ユニット 河野 祐二 スペシャリストらの共同開発チームは、新開発の原子分解能磁場フリー電子顕微鏡 (MARS)注1) を用いて、磁石 (磁力) の起源である原子磁場注2) の直接観察に世界で初めて成功しました。同グループは2012年に原子内部の電場観察に初めて成功しましたが、原子の持つ磁場は電場に比べて極めて弱く、その観察は電子顕微鏡開発以来の未踏技術でした。本成果は、顕微鏡開発の歴史を塗り替える画期的な成果です。
電子顕微鏡は、現在用いられている全ての顕微鏡の中で最も高い空間分解能を持つ顕微鏡です。しかし、原子を直接観察できるほどの超高分解能にするためには、試料を極めて強いレンズ磁場の中に入れて観察する必要があり、そのレンズ磁場の影響を強く受ける磁石や鉄鋼材料などの磁性体の原子観察は長年不可能でした。しかし、2019年に本共同開発チームが全く新しい構造のレンズ開発に成功したことにより、レンズ磁場の影響を受けない磁性材料の原子観察を実現しました。次の目標は、磁石 (磁力) の起源ともいえる原子の磁場観察であり、そのための技術開発を続けてきました。
今回、原子分解能磁場フリー電子顕微鏡に新開発の超高感度・高速検出器を搭載することで、鉄鉱石の一種であるヘマタイト結晶注3) 中の鉄原子周囲の磁場観察に成功しました。本結果は、鉄原子自体が微小な磁石 (原子磁石) であることを直接示すとともに、ヘマタイトが示す磁性 (反強磁性注4))の起源を原子レベルから解き明かすものです。この計測手法は、磁石、鉄鋼、半導体デバイス、量子技術などの最先端マテリアル研究開発を格段に進歩させる画期的な計測技術になると期待されます。
本研究はオーストラリアのモナッシュ大学と共同で行われました。本研究成果は、2022年2月10日 (木) 午前1時 (日本時間) に英国科学誌「Nature」のオンライン版で公開されます。

用語解説

注1)  原子分解能磁場フリー電子顕微鏡 (MARS)
電子顕微鏡は、電子線を試料に入射し、試料により透過散乱された電子線を磁場レンズにより拡大して、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。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である。
原子分解能磁場フリー電子顕微鏡 (MARS) は、2019年に本開発チームが開発した磁場フリーの環境で計測可能な電子顕微鏡。
詳細は以下のプレスリリースを参照。
88年の常識を覆す画期的な電子顕微鏡を開発 (2019年5月24日)

注2)  磁場
磁界ともいい、磁気的な作用を及ぼす空間やその空間の性質を指す。

注3) ヘマタイト
鉄鉱石の一種であり、鉄の酸化物 (α-Fe2O3)。赤鉄鉱とも呼ばれる。温度に応じて磁気構造の相転移を示す。火星でも発見されており、火星に水があった証拠の1つであると考えられている。

注4) 反強磁性
隣り合う原子のスピンが互いに反平行を向いて整列し、全体として自発磁化を持たない状態の物質の磁性を指す。

関連リンク