理化学研究所など、X線を２回当てて「中空原子」を生成することに成功

X線を２回当てて「中空原子」の生成に世界で初めて成功
−量子だるま落としで２段抜き


＜ポイント＞
　・１京分の２秒弱の間に２回、X線を原子に当てることに成功
　・太陽光の１兆倍のさらに１千万倍の強さのX線で初めて見える現象
　・中空原子を利用したタンパク質構造解析への応用に期待


＜要旨＞
　理化学研究所（理研、野依良治理事長）、分子科学研究所（大峯巌所長）と高輝度光科学研究センター（土肥義治理事長）は、X線自由電子レーザー（XFEL；X−ray　Free　Electron　Laser）施設「SACLA［１］」を使い、集光して強度を上げたXFELをクリプトン［２］原子に照射して、原子核の最も内側（K殻）の軌道を回る電子２個を順番にはじき出し、K殻に電子がない「中空原子［３］」の生成に初めて成功しました。これは、理研放射光科学総合研究センター（石川哲也センター長）XFEL研究開発部門ビームライン研究開発グループ理論支援チームの玉作賢治専任研究員、矢橋牧名グループディレクターと、分子科学研究所光化学測定器開発研究部門の繁政英治准教授、および高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室実験技術開発チーム登野健介チームリーダーらを中心とした共同研究グループによる成果です。

　原子は、原子核を中心に、その周りを回る電子がいくつかの層（電子殻）に分かれた構造をしています。電子殻は中心から順にK殻、L殻．．．と呼ばれ、それぞれの電子殻にはいれる電子の数は決まっています。最も内側のK殻には２個の電子があり、X線が原子に当たるとK殻の電子がX線を吸収します。それに伴い１個の電子は原子からはじき出され（光イオン化）、K殻に穴の空いた原子ができますが、従来、最先端のX線研究でもレントゲン撮影でも、この状態の原子を考慮する必要はありませんでした。なぜなら、１，０００兆〜１京分の１秒という極めて短時間で、まるで、「だるま落とし」のように外側の電子が落ちてきて、K殻の穴が埋まるからです。しかし、XFELという極めて強力な最先端のX線源を用いると、K殻の穴が埋まる前にもう一度X線を当てることができます。だるま落としの例えで言えば、素早く２回たたいて２段抜きしたことになります。その結果、K殻が空になった中空原子という特殊な状態が生成されます。

　共同研究グループは、直径が約０．１ナノメートルのクリプトン原子に１京分の２秒弱の間に２回X線を当てて、中空原子を生成することに成功しました。穴の空いた原子は、原子内の電子を扱う理論模型をチェックする厳格なテストとして科学的に重要であることはもちろん、XFELを用いたタンパク質構造解析などにおいて最も重要な位相問題［４］の解決にも活用できると期待できます。

　本研究は日本学術振興会の科学研究費補助金の助成を受けて行い、成果は米国の科学雑誌『Physical　Review　Letters』オンライン版に近日掲載されます。


＜背景＞
　SACLAや、米国SLAC国立加速器研究所の「LCLS［５］」などのX線自由電子レーザー（XFEL）の実現により、これまでの１億倍も明るいX線が利用できるようになりました。こうした強力なX線によって、これまで見ることができなかった化学反応などの超高速現象や生命現象、および疾病に関連するタンパク質構造が解明されると期待されています。これらの測定では短時間に非常に強いX線を照射して、高精度のデータを取得します。ちょうど、フラッシュをたいて写真を撮るようなものです。一方で、強力なX線を照射した後では、試料が完全に破壊されて原子レベルでバラバラになってしまいます。そのバラバラになる初期過程で原子の中で何が起きているのか？それらがどの程度の頻度で起こるのか？そのとき見たかったものが本当に見えるのか？これらの問題は基礎科学として興味深いだけでなく、上述の応用研究にも直接影響すると考えられているため、現在、世界中で研究が進められています。

　X線が原子に当たると、散乱か吸収が起こります。X線のエネルギーが十分に高いと、最も内側の軌道（K殻）を周回する２個の電子の片方で吸収され、その電子が原子外にはじき出され（光イオン化）、K殻に電子の空席が１つある“穴”の空いた状態となります。原子で「だるま落とし」をやるようなものです（図１左）。この穴は、元素によりますが、大体１，０００兆〜１京分の１秒という極めて短時間で、外側を回る電子により埋められます。その時に蛍光X線［６］が放出されます。もし、電子により穴が埋められるより前にもう一度X線を当てることができると、残りのもう１つの電子をはじき出せます（図１右）。こうして、K殻が空になった原子「中空原子」は、普通よりやや短い波長の蛍光X線を放出してK殻の穴を埋めます。従って、蛍光X線を観測することで、原子がどのような状態にあり、また、中空原子がどの程度生成されたのかを明らかにできます。しかし、これまでその観測に成功した例はありませんでした。

　共同研究グループは、SACLAのX線をクリプトン原子に照射し、蛍光X線を観測することで、原子に起こる変化の解明に挑みました。クリプトンは室温常圧で単原子分子気体であり、このような基礎的な研究に適しています。


＜研究手法と成果＞
　共同研究グループは強力なX線を得るために、集光鏡を用いてSACLAのX線ビームを１ミクロンまで絞り込みました。この時の集光強度［７］は、１０の１８乗　W／cm2（※）（太陽光の１兆倍のさらに１千万倍に相当）に達すると見積もられます。

　　※「１０の１８乗　W／cm2」の正式表記は添付の関連資料を参照

　この強力なX線をクリプトンガスに照射し、蛍光X線のスペクトルを測定しました。その結果、通常の蛍光X線より短波長側にも蛍光X線が初めて観測されました（図２）。これは、１京分の２秒弱しか存在できないK殻に１つ穴の空いたクリプトン原子にも確かにX線が当たること、さらに、中空原子が生成されたことを初めて実証したことになります。

　一方で、蛍光X線の比から、寿命が１京分の２秒弱と極めて短いにもかかわらず、X線照射中は常に、平均して０．１％程度のクリプトン原子がK殻に穴が１つ空いた状態にあることが分かります。これは、今回使用した１０の１８乗　W／cm2というX線強度では、K殻に穴の空いた原子を無視できることを示しています。しかし、より集光してタンパク質ナノ結晶などを測定するような場合、X線強度は本研究よりはるかに高くなります。例えば、集光サイズをあと１桁半小さくすると、K殻に穴の空いた原子の割合は数１０％に達し、もはやK殻に穴の空いた原子の存在を無視できなくなると考えられます。


＜今後の期待＞
　極短時間しか存在できないK殻に穴の空いた原子にもX線を当てられることが実証され、そのような原子の特性が利用可能になります。さまざまな応用が考えられますが、主要なものとしてタンパク質の構造解析が挙げられます。海外グループの理論的な研究では、穴のあいた原子を利用することで、その原子からの信号を強くして、位相問題をより高精度で解くことができるという報告があります。

　穴の空いた原子の特性を活かし、位相問題を高い精度で解けるようになることで、今後、従来の方法では調べられなかった多種多様なタンパク質の構造決定が進み、生命現象の理解や創薬に役立つことが期待されます。


＜原論文情報＞
　・Kenji　Tamasaku，Mitsuru　Nagasono，Hiroshi　Iwayama，Eiji　Shigemasa，Yuichi　Inubushi，Takashi　Tanaka，　Kensuke　Tono，Tadashi　Togashi，Takahiro　Sato，Tetsuo　Katayama，Takashi　Kameshima，Takaki　Hatsui，Makina　Yabashi，Tetsuya　Ishikawa．"Double　core−hole　creation　by　sequential　attosecond　photo−ionization"．Physical　Review　Letters，２０１３．


＜発表者＞

　独立行政法人理化学研究所
　放射光科学総合研究センター（http://www.riken.go.jp/research/labs/rsc/）　XFEL研究開発部門（http://www.riken.go.jp/research/labs/rsc/xfel/）　ビームライン研究開発グループ（http://www.riken.go.jp/research/labs/rsc/xfel/beam_line/）　理論支援チーム
　専任研究員　玉作　賢治　（たまさく　けんじ）

　大学共同利用機関法人自然科学研究機構分子科学研究所
　准教授　繁政　英治　（しげまさ　えいじ）


　※補足説明・参考図は添付の関連資料を参照