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広島大学放射光科学研究センター

Hiroshima Synchrotron Radiation Center, Hiroshima University
  • 第1部会
  • 共同利用・共同研究拠点

研究所・センターの概要


センター長
島田 賢也
Shimada, Kenya
キーワード
放射光、超伝導、スピン、物性・生命異分野融合、高輝度小型放射光源、人材育成
住所
〒739-0046
広島県東広島市鏡山2-313
放射光を用いた物質科学研究の推進と人材育成

放射光科学研究センターでは、小型放射光源(HiSOR)が発生する紫外線~軟X線域の放射光を利用し、世界最先端の計測技術を用いて超伝導や電子スピンに由来する量子現象を研究する固体物理学および溶液中の生体分子の立体構造を研究する物性・生命異分野融合領域の研究、ならびに高輝度小型放射光源や挿入型光源に関する研究を行っています。
また大学の中に置かれた研究拠点として、多様な文化や背景を持つ国内外の大学・研究機関の第一線の研究者と共通の研究課題に取り組み、互いに学ぶことのできる環境を活用した、学部・大学院生および若手研究者の育成を進めています。

令和元年度の研究活動内容及び成果


ナノスケール化による金属の絶縁体化を完全解明

原子や分子のように微小な世界では、量子力学のルールによって支配され、様々なものが飛び飛びの値(量子)を取るようになります。金属には自由電子があり、ほんのわずかな電場をかけるだけで電気が流れます。これは自由電子のエネルギーが連続的に変化できるからです。これをバンドギャップがない状態と呼びます。しかしそのような金属でも、原子や分子の大きさであるナノスケール(=百万分の1ミリ程度の大きさ)まで小さくすると、電子のエネルギーが飛び飛びになりバンドギャップを持つ絶縁体になりうるのです。この現象は金属元素の一つであるビスマスに対して半世紀以上前に予言され、数多くの実験が行われてきましたが、得られた実験結果は理論計算と一致しませんでした。この問題を解決するため、広島大学放射光科学研究センターのビームラインBL-9A(図1)および台湾の放射光施設NSRRCのビームラインBL-21B1において、原子レベルで膜厚を制御したビスマス単結晶薄膜を作製し、その電子状態を光電子分光法という実験手法により精密に計測しました。図2が得られた実験結果でビスマス薄膜中の電子のエネルギー状態を示します。膜厚が3.6、5.6、7.2ナノメートル(nm)の薄い膜と80ナノメートルの厚い膜とを比較すると、前者のグラフの中心には縞模様が明瞭に見えており、エネルギーが飛び飛びになっている様子が一目で分かります。これはビスマスの膜厚をナノスケールに薄くしたことにより、エネルギーの量子化が生じることを初めて実験で明らかにしたものです。この結果をもとに、従来の電気伝導測定の結果と理論計算との矛盾を解決することができ、半世紀にわたり研究されてきたこの現象を初めて完全に理解することができました。この現象はビスマス元素に限らず、現在最も注目を集めているビスマスを含むトポロジカル物質にも広く存在しうるものです。本研究は、トポロジカル物質を用いたナノデバイス設計における新たな視点をもたらし、次世代のエレクトロニクスに向けた知的基盤となることが期待されます。

図1 広島大学放射光科学研究センターの高分解能角度分解光電子分光実験ステーションBL-9A。

図1 広島大学放射光科学研究センターの高分解能角度分解光電子分光実験ステーションBL-9A。

図2 角度分解光電子分光実験により得られたビスマス単結晶薄膜の電子のエネルギーと運動量の関係を示したグラフ。グラフの上の数字はビスマス薄膜の膜厚(nm:ナノメートル、百万分の1ミリ)を示す。膜厚を薄くするとグラフの中央に縞模様が明瞭に観測され、エネルギーが飛び飛びになっていることがわかる。

図2 角度分解光電子分光実験により得られたビスマス単結晶薄膜の電子のエネルギーと運動量の関係を示したグラフ。グラフの上の数字はビスマス薄膜の膜厚(nm:ナノメートル、百万分の1ミリ)を示す。膜厚を薄くするとグラフの中央に縞模様が明瞭に観測され、エネルギーが飛び飛びになっていることがわかる。

 

社会との連携


人材育成・国際交流への貢献

広島大学放射光科学研究センターは大学附置の放射光実験施設として、体験学習、総合学習、スーパーサイエンスハイスクール研修、夏休みこども見学デー、教育・文化週間関連行事、JSTグローバルサイエンスキャンパスなどで来訪した中四国地域の小・中・高校生を受け入れ、先端研究施設を紹介するとともに楽しみながら物理実験を体験できる機会を提供しています。さらに、さくらサイエンスプランや日本研修で来訪した海外の学生・教育関係者の施設見学も受け入れ、英語によるセミナーも提供しています。また、放射光先端計測設備を活用した産学連携研究(マツダ(株)との共同研究等)にも取り組んでいます。

一般公開(教育・文化週間)

一般公開(教育・文化週間)

広島県(中学生)(校外学習)

広島県(中学生)(校外学習)

STEM教育研修(オーストラリア)

STEM教育研修(オーストラリア)

スーパーサイエンスハイスクール研修

スーパーサイエンスハイスクール研修

 

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