複数元素置換で鉄酸ビスマスに新しい機能を付与
―コンデンサと磁石の性質に加え、室温での負熱膨張を発現―

2025年11月28日
東京科学大学
神奈川県立産業技術総合研究所
名古屋工業大学
高輝度光科学研究センター
京都大学
科学技術振興機構(JST)

○ ペロブスカイト型酸化物鉄酸ビスマスのビスマス・鉄の両方を異種元素で置換。
○ 強誘電性と強磁性が共存するため、低消費電力の次世代磁気メモリへの応用に期待。
○ 温めると縮む、負熱膨張も発現。

AIやクラウドの普及による情報処理量の爆発的な増大に伴い、情報機器の電力消費増加が問題になる中で、低消費電力・不揮発性の次世代メモリデバイスへの要求が高まっています。その材料として注目されているのが、磁性（強磁性あるいは反強磁性）と強誘電性を併せ持つマルチフェロイック物質^{（用語5）}です。磁化と強誘電性の相関が十分に強いマルチフェロイック物質を用い、電場によって磁化（N極－S極の向き）方向を反転することができれば、不揮発性・高安定性という現在の磁気メモリの特徴を生かしつつ、低消費電力で駆動する簡易な素子構造を持つ次世代磁気メモリを実現できると期待されます。これまでに東教授らのグループは、反強磁性^{（用語6）}強誘電体の鉄酸ビスマス(BiFeO₃)の鉄を一部コバルト(Co)で置換すると、隣り合うスピン（原子レベルのN極－S極に対応）の向きが反平行からずれることで、電気分極に直交した弱強磁性^{（用語7）}の自発磁化を持つこと、電場によって分極を反転した際に磁化を反転できることを報告し、住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点において、メモリデバイスの開発を進めていました。しかしながら、保磁力^{（用語8）}が低く、磁気情報の安定性に課題がありました。
一方で、光通信や半導体製造など、精密な位置決めや部材の寸法管理が要求される局面では、わずかな熱膨張が大きな問題になります。そこで、温度が上昇すると収縮するという、“負の熱膨張”を持つ物質によって、構造材の熱膨張を補償（キャンセル）することが試みられています。 同研究グループは負熱膨張材料BiNi_1-xFe_xO₃（鉄をニッケル(Ni)で置換したBiFeO₃、BNFOと表記、xは0と0.5の間の任意の数）を開発、日本材料技研株式会社からBNFOの商品名で市販していますが、合成に人造ダイヤモンドと同様の高圧が必要で、価格が高いことが問題でした。

今回の研究では、強誘電性と強磁性を併せ持つとともに、負の熱膨張性も有する材料を開発しました。具体的には、高圧合成の手法を用いてBiFeO₃のAサイトのビスマス(Bi)をカルシウム(Ca)で、Bサイトの鉄をルテニウム(Ru)やイリジウム(Ir)で等量置換すると、弱強磁性の出現を阻んでいたスピンサイクロイド変調構造^{（用語9）}が消失して自発磁化が出現することを、磁化測定とメスバウアー分光^{（用語10）}で明らかにしました（図1）。鉄をコバルトで置換した場合に比べて保磁力は4倍程度に上昇しており、次世代磁気メモリに応用した際にデータの安定性を改善できると期待できます。
また、大型放射光施設SPring-8^{（用語11）}（本研究で使用したBL名：BL02B2、BL13XU）の放射光Ｘ線回折実験^{（用語12）}で結晶構造変化を調べたところ、体積の小さい常誘電相への転移温度がBiFeO₃の1103 K（約830℃、Kは絶対温度の単位であるケルビン）から劇的に低下しており、Bi_0.85Ca_0.15Fe_0.85Ir_0.15O₃では室温近傍で1.77%もの体積負熱膨張を示すことが分かりました。負熱膨張は、卑金属であるジルコニウム(Zr)を用いたBi_0.85Ca_0.15Fe_0.85Zr_0.15O₃でも観測されました（図2）。今回見いだした物質の母物質であるBiFeO₃は常圧下で合成可能なことから、今後の合成法の改善によって、安価で高性能な負熱膨張材料となることが期待されます。

強磁性と強誘電性が共存するマルチフェロイック物質は、次世代メモリデバイス材料として期待されています。また、負熱膨張材料は、半導体などの精密加工現場での位置決めのズレや、異種材料接合界面での剥離といった熱膨張問題の解決につながるため世界的に研究が活発化しており、日本が強みを持つ材料です。
ペロブスカイト酸化物はこれらの他にも超伝導性、巨大磁気抵抗効果、イオン伝導など、多彩な機能を持つため、盛んに研究されています。Aサイト、Bサイトの両方に元素置換を行う今回の物質設計指針は、他の機能性材料の創出にも用いることができると期待されます。

鉄酸ビスマスへのA-Bサイト両置換による保磁力増大という今回の発見はデータ記録の安定性につながるため、今後は半導体製造工程で使用される微細加工技術を駆使した素子作成に取り組み、次世代の低消費電力不揮発性磁気メモリ素子の実現を目指します。また、水熱合成法などの安価な合成法を確立することで、負熱膨張材料としての応用も目指します。

本研究の一部は、JST 戦略的創造研究推進事業 CREST「非晶質前駆体を用いた高機能性ペロブスカイト関連化合物の開発（研究代表者：東正樹 東京科学大学教授、課題番号：JPMJCR22O1）」、地方独立行政法人 神奈川県立産業技術総合研究所 実用化実証事業｢次世代半導体用エコマテリアルグループ（東正樹グループリーダー）｣、日本学術振興会 科学研究費助成事業（課題番号：JP23KJ0919、JP24K17509、JP24H00374）、国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクトなどの支援のもと、住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点において実施されました。

東 正樹（アズマ マサキ） Masaki Azuma
東京科学大学 総合研究院
自律システム材料学研究センター／フロンティア材料研究所　教授
研究分野：固体化学

【用語説明】

叩く・擦る程度の刺激で破砕し発光する希土類錯体のソフトクリスタルの開発とそのエネルギー変換機構の解明に成功

2025年11月12日
青山学院大学

トリボルミネッセンス(TL)は、擦る、叩くなどの機械的な刺激により発光する現象です。今から約400年前に哲学者のフランシス・ベーコンが、暗闇で氷砂糖（スクロース）を砕くと青く発光するミステリアスな現象について、自身の哲学書に文字のみで説明し、これを1888年にウィーデマンが “Triboluminescenz (英:Triboluminescence)”と名付けたのが由来です。しかし、電気を使って光らせる物質や、ブラックライトをあてて光らせる(Photoluminescence, PL)物質は発見から比較的すぐ実用化されているのに対し、TLは発見から約400年経った今でも実用化が困難とされています。その理由に、原子や分子レベルでの配列の設計や現象が生じる仕組みが明らかにされていないことが挙げられます。TLに関わる研究の論文数は、分子性材料の合成技術の発展と、測定装置の高精度化により近年増加傾向にあります。その中には、高分子のように擦って静電気が発生しやすい系や、分子の配列と結晶の破砕に注目した系もあります。
今回の研究は、キラル^*2な希土類錯体^*3を用いており、結晶化させると分子の裏と表が揃った2次元の層ができ、更にこれが積み重なったラメラ構造（図１）を取ります。この結晶を用い、破砕により希土類が発光するメカニズムを明らかにしました。

結晶破砕は、高感度の分光器を連結させた、自由落下実験を応用したドロップタワーシステム(DTS)を独自に開発することで、ステンレス球の設置高さの調整により機械刺激を定量的に、かつ破砕時のスペクトルも精緻に評価しました。
▶DTSによるEu錯体とTb錯体の動画はこちらでご覧になれます。
リンク先：https://youtu.be/3kDwUpFXvKs

これまでの研究で、希土類錯体のTLの原理は、希土類の直接励起に由来するもの、有機分子の励起を起点とするアンテナ効果に由来するもの、あるいはサンプル周辺の気体（例えば窒素等）の励起を起点とするもの、等の仮説が立てられていました。また、分子集合においても中心対称性を有するものかどうかということも議論の対象でした。今回用いたキラルな錯体分子Chiral LnL^val（Ln=希土類イオン）は、非常に珍しい空間群P6₅（あるいはP6₁）で配列し、ラメラ構造を形成します。この時、希土類の層をはさむようにして片方の面には有機分子の芳香環がシート状に並び、他方には硝酸イオンが並び、この方向を維持したまま次の錯体の層が異方性を伴って堆積しています。すなわち、中心対称性の破れた系に属します。比較のために、LnL^valのラセミ結晶およびカウンタ―アニオンを硝酸イオンから塩化物イオンに替えた結晶を用いた場合の同様の実験を行いましたが、いずれもTLを示しませんでした。
Chiral LnL^valのTLをDTSで測定したところ、希土類イオン固有の発光スペクトルが観測できました（図２）。例えば、Euは赤色の、Tbは緑色の波長領域にシャープに帯が現れます。このTL現象の仕組みを知るため、更に4つのアプローチで実験を行いました。

(1) TL強度の刺激の強さに対する依存性（図２）：Chiral EuL^val のDTSのステンレス球の落下スタートの高さを上げて、破砕に用いるエネルギーを上げた際のTLの強度をプロットすると、この系の場合、高さ80 cmからTL強度に変化が見られなくなります。このことは、TLを発現するための機械的エネルギーには限界があることを示しています。

(2) TL発現の環境特異性：この系のTLが希土類イオンの直接励起によるものか、アンテナ効果を経たものであるのかを調査するため、DTSそのものをアルゴンあるいは窒素の雰囲気下に閉じ込めてTL測定をした結果、環境に依存しないことがわかりました。また、TbとEuを混合させたChiral Tb/EuL^valを用いたTLスペクトルの相対強度をPLスペクトルの場合と比較し、TbからEuへの金属間エネルギー移動がTLで生じないことがわかりました。すなわち、希土類イオンの直接励起によるTLではないことがわかりました。

(3) 結晶粒のサイズとTL発現の相関（図３）：合成直後の錯体の結晶はTLを示すのに対し、結晶を乳鉢でよく砕くとTLが発現しなくなります。大型放射光実験施設SPring-8*⁴(BL02B2) の粉末X線回折(PXRD)でこれらを測定したところ、砕いた後のサンプルのXRDピークの半値幅は大きくなりましたが、回折ピークの位置は変わりませんでした。また、再結晶するとXRDピークの半値幅は合成直後の場合と同様にシャープになり、TLを示すようになりました。電子顕微鏡からもサイズの効果が観測されました。すなわち、この破砕の過程では、結晶構造は大きく変化せず（結晶相転移はせず）、結晶粒のサイズが小さくなり、TL発現にはある程度の結晶粒のサイズが必要であることがわかりました。

(4) 光アンテナとなる有機分子のTL発現の確認：従来のTLを示す希土類錯体は、希土類そのものの発光に着目した系が多くみられていました。Gdを結合させた錯体は、その有機化合物の発光特性を知るために有用です。Chiral GdL^valは有機分子に局在化したTLを示す系であることがわかりました。すなわち、(2)の考察と併せるとEuなどの希土類イオンに由来するTLは、機械刺激により配位子が励起され、分子内エネルギー移動を経由することがわかりました。

総括すると、本研究では、アミノ酸を有するキラルな希土類錯体のラメラ構造の結晶を用いて機械的エネルギーを発光に変換する系は、配位子の励起状態（特に励起三重項状態）を経由したアンテナ効果によるものであることを証明しました（図4）。このような系の実用化はまだ実現しておらず、原理解明は未来に向けた新たな発光材料を指向するきっかけになります。

研究を進めるにあたり、富山大学野崎浩一教授、岩村宗高講師、九州大学先導物質化学研究所五島健太博士に御指導・御助力賜りました。本研究は、文部科学省科研費、公益財団法人山田科学振興財団、物質・デバイス領域共同研究拠点、文部科学省私立大学戦略的研究基盤形成支援事業の支援により遂行しました。大型放射光実験施設SPring-8で採択された課題により放射光PXRD測定を行い、浜松ホトニクス株式会社、帝人株式会社にDTSのセットアップで御助力頂きました。この場をお借りして御礼申し上げます。

TLを示す素材がエネルギー変換材料として興味深い研究対象であるにもかかわらず、実用化されていない背景には原子や分子レベルでの配列の設計や現象が生じる仕組みが明らかにされていないことが挙げられます。実用化すると、夜道で足跡が光るようなタイルが実現するかもしれません。そのためには、次の科学的な課題がありますが、長谷川研究室ではこの未来材料としての可能性を今後も探求していきます。

【用語解説】

ブラックホールに落ち込むプラズマの構造が明らかに！
― NASAの気球に世界最大の日本製の望遠鏡を搭載―

2025年11月14日
広島大学
大阪大学
愛媛大学

1. ブラックホールの極限環境を、X線（硬X線^注1）観測では新しい「偏光^注2」という手法から解き明かしました。

2. 気球搭載型望遠鏡 XL-Calibur（エックスエル-カリバー）^注3により、地球からおよそ7000光年離れたブラックホール「はくちょう座 X-1 (Cygnus X-1)」^注4からの15-60 keV（1.5-6万電子ボルト）の硬X線を観測しました。
（YouTube動画「NASA XL-CALIBUR Launch」で検察 NASA XL-CALIBUR Launch）

3. 日本製の世界最大のX線集光ミラー^注5などにより、従来よりも20倍も高い感度で観測データを取得することに成功しました。

4. これまでブラックホール周辺にコロナ（高温のプラズマ領域）が存在することが知られていましたが、その形状を決定できる観測結果がありませんでした。今回のXL-Caliburの観測結果は、直径125 kmのブラックホールの中心から2000 km以内で明るく輝くコロナが、ブラックホールから数十億kmにわたって噴出する巨大なプラズマジェットと垂直方向に整列している（伴星から奪った物質が落ち込む円盤に沿って平べったい構造をしている）ことを示します。

5. 本研究成果により、ブラックホール近傍のコロナプラズマの構造を制限することができ、ブラックホール近傍の物理過程の理解に重要な手がかりを提供しました。

ブラックホールに降着し（降り積もり）吸い込まれる物質は、強い重力によって非常に高温に熱せられ（約1000万度）、X線で明るく輝いています。そのため、X線観測によって、ブラックホール近傍での降着物質の物理状態を明らかにすることができれば、中心に存在するブラックホール自身の物理量や、強い重力場における一般・特殊相対論的な効果も観測することができると期待されています。しかし、これまでの時間変動（測光）やエネルギー（分光）の観測だけでは、降着物質がどのような状態にあるのか長年にわたって議論が平行線をたどっていました（遠方にあるため画像では「点」にしか見えず、構造は調べられていません）。
偏光観測は、画像、時間変動、エネルギーの測定とは異なり、高エネルギー粒子が放射する光子の偏光（電場の振動方向が偏っている）情報から、物質から直接届いたのか、どこかで反射・散乱されてきたのかという幾何構造を推定することができます。電波や可視光では一般的な手法ですが、X線やガンマ線の帯域では技術的な困難から、これまでに硬X線の帯域で偏光情報を取得できたのは、我々が2016年に実施したPoGO+気球実験だけでした（ただし上限値で制限がかけられたのみ）。

2024年7月、日本チームを含む国際共同研究チームは、気球望遠鏡 XL-Calibur を用いた新たな観測により、ブラックホール周辺の極限的な環境を明らかにしました。このミッションは、米国ワシントン大学が主導し、日本からは広島大学、大阪大学、JAXA宇宙科学研究所、愛媛大学などの研究者が世界最大のX線集光ミラーを提供して中心的な役割を果たしています。
観測対象は、地球から約7,000光年の距離にあるはくちょう座X-1（Cyg X-1）。1964年に発見され、天の川銀河で最初に「ブラックホール」であると広く受け入れられたX線天体です。ブラックホールの質量は太陽の約21倍。ブラックホールの周囲には、落ち込む物質と噴き出す物質が以下の3つの構成要素を形成していると考えられています：
　1. 降着円盤：近傍の恒星から奪った物質が円盤状に渦を巻いて落ち込む。
　2. コロナプラズマ：降着円盤からの光にエネルギーを与えて、より高エネルギーにする高温プラズマ。
　3. プラズマジェット（アウトフロー）：ブラックホールの自転に伴う時空のねじれと強磁場により、一部の物質が極方向に高速で噴き出す流れ。
XL-Caliburの観測は、特にコロナプラズマ（2番目）の形状と位置、起源に強い制約を与えています。以前のPoGO+の観測では、硬X線の偏光が微弱（偏光度が8.6%以下）であることしか分かっていませんでしたが、今回のXL-Caliburでは感度が約20倍も向上したことにより、偏光度がおよそ5.0%であることが測定することができました。この結果、直径125 kmのブラックホールの中心から2000 km以内で明るく輝くコロナが、ブラックホールから数十億kmにわたって噴出する巨大なプラズマジェットと垂直方向に整列していることが分かりました。
従来の我々のPoGO+実験による観測結果では、コロナがブラックホール近傍100kmに局在するようなコンパクトな形状ではなく、広がって存在していることだけが分かっていました。今回のXL-Calibur実験による観測結果から、広がったコロナの形状は円盤に沿った平べったい構造であることを明らかにすることができました。

この情報は、NASAの偏光衛星IXPE（2–8 keVの低いエネルギー）や、JAXAのXRISMなどの分光衛星、さらに最新のコンピュータシミュレーションと組み合わせることで、今後数年でブラックホールおよびその近傍におけるより精密な物理モデルが構築されると期待されています。XL-Caliburチームでは、次は南極からのフライトにより、他のブラックホールや強磁場の中性子星の偏光観測を目指しています。
国際協力で実現した気球実験XL-Calibur国際共同研究チームには、ワシントン大学、ニューハンプシャー大学、大阪大学、広島大学、JAXA宇宙科学研究所（ISAS）、スウェーデン王立工科大学（KTH）、NASAゴダード宇宙飛行センターおよびワロップス飛行施設など、計13機関以上が参加しています。ミッション代表はワシントン大学の Henric Krawczynski教授。

本研究は、文部科学省科学研究費補助金（課題番号：19H01908、19H05609、20H00175、20H00178、21K13946、22H01277、23H00117、23H00128）による支援を受けたほか、JAXA小規模計画、SPring-8の支援も受けています。

【用語解説】

注１）硬X線
X線とガンマ線の間のエネルギーをもつ電磁波。今回観測した硬X線のエネルギー帯は15–60 keV（可視光の約1.5万~6万倍のエネルギー）。

注２）偏光
通常の光は色んな方向に電場が振動しています。人工的にはサングラス、自然界では水面での反射などにより、ある特定の方向のみに振動している状況を偏光した光と呼びます。
「偏光度」は偏光している光の割合、「偏光角」はその向きを表します。これらの測定により、ブラックホール近傍で超高温プラズマがどのような形状で暴力的に運動しているのかを知ることができます。また、同様の観測を中性子星や星雲のような他のX線天体に行うことで、宇宙で最も強力な磁場構造の形状を明らかにすることもできのです。

注３）X線を北極圏の上空40km（地球の大気0.3%しかない上空）から観測
天体からのX線は、地球大気で吸収されてしまうため、宇宙（に近い上空）から観測をする必要があります。
研究チームは2024年7月、NASAの直径100mに膨らむ科学気球によって、XL-Caliburを上空40kmの成層圏まで上昇させ、大気の影響をほぼ受けない高度から天体観測を行いました。フライト時間は、スウェーデンからカナダにかけて5.5日間（7月9日から14日）。
人工衛星として打ち上げることができれば、より長い観測時間を得ることができますが、より高い信頼性・確実性が求められるため、世界初を目指す偏光観測のような野心的な検出器を載せるのは難しく、また開発期間も長くなってしまいます。我々は偏光観測に特化した気球実験として開発したことで、複数回のフライトを重ねることで検出器の性能を向上させ、最先端技術の利用しつつ、総重量2トンもの大型の検出器で観測することができました。これの結果が、低コストでありながら、他の人工衛星のミッションに先駆けて信頼性の高い硬X線の偏光観測へと実を結びました。

左上：打ち上げ直前のXL-Calibur気球。右上：打ち上げ直後の気球。下：打ち上げ場のスウェーデンから着陸地カナダまでの5.5日間のフライトの軌跡。（写真やデータはNASAより）

注４）「はくちょう座 X-1」(Cygnus X-1)
1964年に発見され、銀河系で初めて「本物のブラックホール」として広く認められた天体です。このブラックホールは伴星（超巨星）と密接に公転する連星系を形成しているため、ブラックホールX線連星と呼ばれます。もし我々が肉眼でCyg X-1を見ようとすれば、その見かけの大きさは月の幅の2千万分の1しかありません。したがって、直接像を撮れないほど小さな天体の形状を推定するには、従来の測光・分光観測に加え、今回新しく実現した偏光観測が非常に有効なのです。

左：可視光（Digitized Sky Survey）で観測した「はくちょう座X-1」。伴星の超巨星が青白く見える。右：「はくちょう座X-1」の想像図。https://chandra.harvard.edu/photo/2011/cygx1/
左側の中心の暗い部分がブラックホール。右側の青白い星が伴星（超巨星）。赤い円盤が降着円盤。上下に伸びる構造がプラズマジェット。今回の研究対象のコロナプラズマはブラックホールのごく近傍に存在。

注５）X線集光ミラー（日本製で世界最大）
X線を集光するためには、金属表面での全反射や結晶間隔を利用したブラッグ反射が利用されます。（眼鏡のレンズは透過してしまうため使えない）
今回利用したミラーは、213枚のアルミニウムシェルにそれぞれ10〜140層の白金–炭素の二層膜をコーティングしたものです。硬X線は、炭素を透過して、白金と白金の間隔に応じたエネルギーがブラッグ反射して効率良く集光されます。

ポータブル装置による世界最強110テスラ磁場発生とX線実験に成功

2025年10月29日
国立大学法人電気通信大学
国立研究開発法人科学技術振興機構
国立研究開発法人理化学研究所
国立大学法人東京大学
国立大学法人東北大学
公立大学法人兵庫県立大学
国立大学法人山形大学
国立大学法人静岡大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

＊独自開発のポータブル装置「PINK-02」により、地磁気の約200万倍にあたる110テスラの超強磁場発生に成功。
＊磁場中心にX線自由電子レーザーを照射し、X線実験の世界最強110テスラ磁場を記録。従来は77テスラ。
＊110テスラX線回折実験により、磁石である固体酸素が1％にも及ぶ巨大かつ異方的な磁歪（じわい）を示すことを明らかにした。
＊同手法は、今後、100テスラを超える極限環境で現れる新しい結晶構造や電子状態、機能性の探索に活用される。

近年、日本で1000テスラ^（※1）に至る超強磁場が利用可能となり、このような強磁場が引き起こす新現象の探索が始まっています。期待される新現象の一例として、磁場によって物質の結晶構造が不安定化した結果、これまでにない新しい結晶構造が出現することが挙げられています。
このような期待を実証するには、強い磁場中で物質にX線を照射する必要があります。しかしこれは困難でした。というのも、100テスラを超える磁場を得るには、破壊型パルス磁場発生法^（※2）が必須なためです。破壊型パルス磁場発生装置は、施設級の大型装置であること、持続時間が短い（100万分の1秒程度）パルス発生であること、シングルショットで繰り返せないこと、そしてコイルの爆発が避けられないといった多くの問題がありました。このため、100テスラ以上の超強磁場とX線を組み合わせた実験を行うことは従来困難と考えられてきました。
2011年に、この問題に解決をもたらす出来事が起こりました。世界で2番目のX線自由電子レーザー^（※3）（XFEL）施設としてSACLA^（※4）が日本に建設されたのです。SACLAでは非常に短いパルス幅（100兆分の1秒）で、かつ世界最強レベルの強度を持ったパルスX線が利用できます。このX線を用いれば、1発でX線実験データが得られるため、一瞬で1回しか起こらないような現象を研究することができます。しかし、SACLAも700メートル以上の大型装置であることから、施設級の大型装置である破壊型パルス磁場発生装置と組み合わせて利用することは依然として困難でした。

電気通信大学の池田暁彦准教授らの研究グループは、理化学研究所放射光科学研究センターの久保田雄也研究員らと共同研究グループを立ち上げ、今回、世界に先駆けてポータブル110テスラ発生装置「PINK-02」^（※5）の開発に成功しました。PINK-02は、1100キログラムと自動車程度の重量に収まっており、可搬型です。
研究グループはその可搬性を活かしてPINK-02をSACLAのX線照射位置に設置し、110テスラ強磁場下でのX線実験を実施^（※6）しました（図1）。実験対象には固体酸素^（※7）を選びました。固体酸素は磁場を有しており、磁場に応答を示します。また固体酸素は結晶格子が柔らかいという特徴を持ちます。このため、強磁場下で新しい構造が現れる有力な候補物質とされてきました。
研究グループは、110テスラの破壊型パルス磁場発生とシングルショットX線実験を両立することに成功し、世界で初めて110テスラ超強磁場におけるX線回折データの取得に成功しました（図2）。実験の結果、固体酸素が110テスラ強磁場の作用を受け、その結晶構造が異方的な大きな歪み（磁歪）を示すことを観測しました。観測された異方的な磁歪は1％に達しました。これはスピン^（※8）間の相互作用が結晶の一方向には強く、別の方向には弱いという、原子スケールで異方的な磁気相互作用が存在することを示唆しています。この成果により初めて原子レベルで、磁性体においてスピンと結晶構造の異方性が強く結びついていることを実証することができました。さらに山形大の笠松准教授らの理論計算と照らし合わせることで、この解釈が支持されることがわかりました。

今回確立した研究プラットフォームを活用し、磁性体、金属非磁性体など、さまざまな結晶に対して、極限磁場下での新しい結晶構造の出現を実証していく計画です。固体酸素については、今回の110テスラを超える120テスラ付近でさらなる全く新しい結晶構造（θ相）が現れると予想されており、その構造を明らかにすることが次の目標となります。
また、X線はその発見以来、物質の構造、電子状態、磁性、ダイナミクスなど多方面の研究に用いられてきました。今後は100テスラを超える極限領域で、これら全ての研究を展開できることを目指しており、これらの研究により強い磁場が引き起こす新現象や新物質の発見につながることが期待されます。

2009年にアメリカ・スタンフォード大学で登場したXFELですが、日本では世界2番目となるSACLAが2011年から稼働しています。アメリカとヨーロッパのXFEL施設の全長がそれぞれ約2キロメートルと約4キロメートルであるのに比べて、SACLAは700メートルと小型です。それでも、SACLAは大型施設であり、強磁場と組み合わせるためには「パルス磁場装置かパルスX線レーザー装置のいずれかをポータブル化する」ことが不可欠でした。
室内世界最強1200テスラの発生が日本の東京大学物性研究所で報告されました。池田准教授が同研究所在職中に破壊型パルス磁場の開発を経験する中で、100テスラ超強磁場では、電子や原子のミクロな現象を直接観測する手段が決定的に不足していると痛感したことが、今回の研究のモチベーションとなりました。
池田准教授は電気通信大学に拠点を移し、ポータブル超強磁場発生装置の開発に注力しました。2020年に開発を始めた初号機「PINK-01」では、2022年に77テスラの発生に成功。その後継機として理化学研究所と共同開発を続けた2号機の「PINK-02」で、今回、世界で初めて110テスラのポータブル発生を実現しました。

パルス強磁場と量子ビームを組み合わせる研究は日本が発祥です。現在は世界中で取り組まれており、特に近年はアメリカとヨーロッパが先行してきました。2015年にはアメリカ・スタンフォード大学のXFEL施設LCLSにおいて40テスラでの実験が報告され、続いて2017年に共用開始されたヨーロッパのEuropean XFELでは、現在60テスラ級の装置の開発が完了しつつあります。日本でもSACLAで強磁場研究が進められ、2022年には77テスラでの実験が報告されていました。
今回、日本が世界に先駆けて110テスラでのX線実験を実現したことにより、磁場強度においては日本が大きくリードしました。本成果は、世界中の研究者を日本に引き寄せる大きな契機となり、今後の学術交流や共同研究の拡大につながることが期待されます。

池田　暁彦 （電気通信大学大学院情報理工学研究科　基盤理工学専攻　准教授）
（共同責任著者）
久保田　雄也 （理化学研究所　放射光科学研究センター　研究員）（共同責任著者）
石井　裕人 （東京大学物性研究所　助教）
周　旭光 （東京大学物性研究所　ISSPリサーチフェロー）
彭　詩悦 （東京大学大学院新領域創成科学研究科　博士課程3年（研究当時））
林　浩章 （東京大学物性研究所　特任助教）
松田　康弘 （東京大学物性研究所　教授）
野田　孝祐 （電気通信大学大学院情報理工学研究科基盤理工学専攻　博士後期課程1年）
田中　智也 （電気通信大学情報理工学域Ⅲ類　2023年卒業）
新堀　琴美 （電気通信大学情報理工学域Ⅲ類　2025年卒業）
関　健汰 （電気通信大学大学院情報理工学研究科基盤理工学専攻　博士前期課程2年）
小林　秀彰 （電気通信大学大学院情報理工学研究科基盤理工学専攻　博士前期課程1年）
Dilip　Bhoi （電気通信大学 大学院情報理工学研究科基盤理工学専攻
特任准教授（研究当時））
（現 オークリッジ国立研究所 パーマネント研究員）
厳　正輝 （東京大学物性研究所　助教）
Kamini　Gautam （理化学研究所　創発物性科学研究センター　研究員（研究当時））
赤木　暢 （東北大学金属材料研究所　助教）
河智　史朗 （兵庫県立大学理学研究科　助教）
笠松　秀輔 （山形大学理学部　准教授）
野村　肇宏 （静岡大学理学部　講師）
犬伏　雄一 （高輝度光科学研究センター　主幹研究員）
矢橋　牧名 （理化学研究所　放射光科学研究センター　グループディレクター）

科学技術振興機構(JST)創発的研究支援事業　JPMJFR222W
SACLA/SPring-8基盤開発プログラム（2021-2024年度）
日本学術振興会(JSPS)科研費　学術変革領域(A)　JP23H04859,JP23H04861, JP23H04862
日本学術振興会(JSPS)科研費　基盤研究(B)　JP23K25818
文科省卓越研究員事業　JP-MXS0320210021

【用語解説】