次世代放射光源のための高性能ビーム入射用磁石を開発

2025年9月10日
高輝度光科学研究センター
理化学研究所

光源性能の飛躍を目指す次世代放射光源では、電子ビームのエミッタンス^[6]を大幅に低減するために蓄積リングにマルチベンドアクロマット(MBA)ラティス^[7]を採用します。MBAラティスはエミッタンス低減に大きな効果がある反面、電子ビームが安定に周回できる領域を従来と比べて狭くする欠点があります。
現在のSPring-8ではオフアクシスビーム入射^[8]を採用して蓄積ビームから10mm以上離れた場所からビームを入射していましたが、NanoTerasuやSPring-8-Ⅱ計画に代表される次世代放射光源では蓄積ビームのすぐ近く（数mm以内の場所）から、狭くなった安定周回領域の内側にビームを入射する必要がありました。このため、現在のSPring-8で蓄積リングへのビーム入射に使用されているパルスセプタム磁石をそのまま用いることができず、蓄積ビームのすぐ近くからビームを入射可能な新しい磁石の開発が必要となりました。

パルスセプタム磁石には、入射ビームの軌道を曲げるための強い偏向磁場が近接する蓄積ビームの側に染み出さないように磁場を遮るセプタム板と呼ばれる遮蔽板があります。
現在のSPring-8で用いられているパルスセプタム磁石は大気中に設置され、蓄積ビームが通る超高真空チェンバーとともに使用されます（図１）。入射ビームと蓄積ビームとの間にはセプタム板と真空チェンバーの壁面という物理的な壁が存在するために、この二層の壁の厚さが蓄積ビームのすぐ近くからのビーム入射を困難にしていました。
今回の開発では、パルスセプタム磁石自体を真空チェンバー内に格納する構造を採用しました。入射ビームと蓄積ビームとを隔てる真空チェンバーの壁を撤廃するとともに（図１）、セプタム板を可能な限り薄く設計することで、次世代放射光源のビーム入射の課題を解決しました。
今回開発した新しいパルスセプタム磁石のプロトタイプを図２に示します。セプタム板を可能な限り薄くしビーム入射点において、厚さを0.5mmとしました。磁石の形状を工夫して、セプタム板のすぐ近くまで入射ビームの軌道を曲げるための偏向磁場の強度が減少しないようにすることで、セプタム板に極力近づけてビームを入射できるようにしました。また、入射ビームを偏向するための強い磁場が蓄積ビーム側に染み出して蓄積ビームを擾乱しないように、漏れ磁場を抑制しました。パルスセプタム磁石を格納する真空チェンバーは、蓄積リングの超高真空チェンバーと直接接続されて使用されます。真空チェンバー内を超高真空とするために、ガス放出源となる空気だまり（エアポケット）を生じないように磁石やチェンバー内部を設計しました。
完成したプロトタイプを用いて、入射ビームを偏向するための磁場の分布と偏向磁場の蓄積ビーム側への染み出しについて詳細な測定を行なった結果、蓄積ビームに3mmまで近づけてビームを入射することが可能であること、ビーム電流を一定に保つためのトップアップ入射^[9]において蓄積ビームが擾乱を受けないことを確認しました。また、ベーキングと呼ばれる加熱脱ガス処理を行なった結果、8x10^-8 Paの超高真空に到達しました。磁場測定及び真空性能試験の結果から、本開発で製作したプロトタイプがSPring-8-Ⅱ計画及びNanoTerasuのビーム入射用磁石として要求される性能を十分に満たすことが確認されました。

本研究で開発されたプロトタイプは、NanoTerasuの蓄積リングに既に設置されてビーム入射用の磁石として実運用されています。
稼働開始から約四半世紀を経過したSPring-8は、次世代光源へ大幅にアップグレードするSPring-8-Ⅱ計画が始動しました。今回の成果により、SPring-8-Ⅱにおいて損失のない安定なビーム入射、ユーザーの利用実験の妨げとならない透明なトップアップ入射の実現に不可欠な、高性能のビーム入射用磁石の技術が得られました。SPring-8-Ⅱにおいて使用する実機の詳細設計は現在進行中です。
世界的な規模で光源性能の飛躍を目指す次世代リング型光源を建設する機運が高まる中で、ビーム入射の課題を解決するために必要な要素技術となる、蓄積ビームの直近からビーム入射を可能にする革新的な入射用磁石を開発したことが、今回の重要な成果といえます。

本研究は、文部科学省・次世代加速器要素技術開発プログラムの支援を受けました。

高輝度光科学研究センター　加速器部門
　　高野　史郎　（タカノ・シロウ）
　　深見　健司　（フカミ・ケンジ）
　　近藤　力　　（コンドウ・チカラ）
　　正木　満博　（マサキ・ミツヒロ）
　　大石　真也　（オオイシ・マサヤ）
　　小路　正純　（ショウジ・マサズミ）
　　田島　美典　（タジマ・ミノリ）
　　田村　和宏　（タムラ・カズヒロ）
　　谷内　努　　（タニウチ・ツトム）
　　山口　博　　（ヤマグチ・ヒロシ）
　　渡部　貴宏　（ワタナベ・タカヒロ）
理化学研究所　放射光科学研究センター
　　田中　均　　（タナカ・ヒトシ）
　　稲垣　隆宏　（イナガキ・タカヒロ）
株式会社トーキン　MSA事業本部
　　尾形　敢一郎　（オガタ・カンイチロウ）
　　齋藤　喜之　（サイトウ・ヨシユキ）
株式会社NAT/量子科学技術研究開発機構　NanoTerasuセンター
　　岩下　大器　（イワシタ・タイキ）

【用語解説】

界面水の不均一性を原子レベルの分解能で解明
――高い構造情報量をもつ多孔性結晶を構造解析技術に応用――

2025年8月29日
東京大学
東京理科大学
高輝度光科学研究センター
北里大学
広島大学
長崎大学

◆新しい様式の多孔性結晶を開発し、凹凸のある細孔界面上で形成する水クラスター構造の解析に成功しました。
◆温度可変結晶構造解析、分子動力学シミュレーション、放射光軟X線発光分光法、赤外分光法を組み合わせることで、界面水の水素結合状態やその動的性質の違いを解明しました。
◆界面水の不均一性が解明できたのは、結晶界面の高い構造情報量と識別性が水素結合を通じて水分子に伝達されたためであり、これは低エントロピー構造をもつ多成分系固体材料の特性が水の構造に反映された結果といえます。今回の結果は結晶性固体材料に対する新しい着眼点を提供するものであり、次世代固体材料の開発研究への貢献が期待できます。

多孔性結晶を用いた界面水の構造解析

水は生命現象や材料科学において極めて重要な物質であり、とくに界面に存在する水分子（界面水）は、タンパク質の立体構造形成、酵素活性、分子認識、輸送現象など、さまざまな機能に関与しています。そのため界面水の構造や水素結合ネットワークを理解することは、生命科学の理解や高分子材料の設計において不可欠です。水分子が界面（例えば生体膜、材料界面、ポリマー内部）に存在する場合、水分子の構造と振る舞いが材料の機能や性質に大きく影響を与えることがわかっています。そのためこれまでにも、さまざまな分光学的手法や顕微鏡観察技術によって、界面に存在する水分子の分光データや水分子の集合状態、およびその水素結合ネットワークの詳細構造が報告されてきました。しかし材料界面に凹凸がある材料の場合、水分子の配置や水素結合ネットワークの詳細を原子レベルの分解能で解析することは困難でした。
近年、ナノレベルの細孔を有する結晶性化合物の細孔界面に分子を吸着させ、吸着させた分子の立体構造や集合構造を単結晶X線構造解析によって明らかにする分子構造解析手法が複数報告されています。ナノ細孔を有する結晶性化合物は多数ありますが、その中でも低対称で複数の結合サイトをもつ結晶性化合物の場合、細孔内部の分子の静的な構造情報だけでなく、分子の動的挙動までもが観測可能であることが報告されています。本研究では、1次元チャネルをもつ新しいタイプの超分子結晶^（注5）を創出し、細孔の凹凸界面上に水分子を集合させ、その構造解析を試みました。その結果、凹凸のある材料界面上の水分子の構造と動的な性質が、単結晶X線構造解析(SCXRD)^（注6）、分子動力学(MD)シミュレーション^（注7）、赤外分光法(IR)^（注8）、および放射光軟X線発光分光法(XES)^（注9）を用いた多角的なアプローチによって、原子レベルの分解能で明らかになりました。

一般的に、ナノレベルの細孔を有する結晶性化合物は、可逆な結合形成を通じて、結合が無限に続く高分子のような集合構造体として得られます。例えば、金属イオンと有機配位子の間ではたらく配位結合^（注10）を用いた場合、金属有機構造体（Metal-Organic Frameworks：MOF）や多孔性配位高分子(Porous Coordination Polymer：PCP)と呼ばれる結晶性化合物が得られます。本研究では、性質の異なる2種類の分子素子を分子間相互作用^（注11）で組み合わせることで、ナノ細孔を有する超分子結晶が得られました（図1）。このナノ細孔は、原子間の新たな結合生成によって構築されているわけではなく、複数の非共有結合性相互作用^（注12）（カチオン-π相互作用、水素結合、疎水効果など）の協奏効果によって安定化されている点が特徴です。この結晶を水に浸漬させると、ナノ細孔内の溶媒分子が水分子に置換され、細孔構造を維持したまま1次元の水チャネルが形成しました。SCXRDによる構造解析の結果、1次元水チャネルの界面（結晶細孔表面）に沿って、5量体^（注13）を含む巨大な水クラスターが形成されている様子が観察されました。このように、凹凸のある有機材料表面での水クラスターの原子レベルでの構造解析を達成した例は稀であり、本研究の大きな成果の一つです。

さらに測定温度を298 Kから90 Kの間で変化させながらの温度可変SCXRD解析により、細孔表面（第一水和圏）に形成した水クラスター構造は比較的秩序だった構造を維持していた一方で、界面の第二水和圏^（注14）に相当するチャネル中央部の水分子は温度変化によって容易に構造再編成を示す「動的かつ高エントロピーな性質」を持つことを明らかにしました。具体的には、結晶を298 Kから90 Kに急冷すると、第二水和圏の水の位置が周期構造のない水素結合ネットワークによって速度論的に固定され、アモルファス氷^（注15）のような状態として観察されました。その後90 Kから170 K付近に昇温すると、第二水和圏の水分子の位置が変化し、周期構造をもつ水素結合ネットワークに変化しました。実験で観測された第二水和圏の界面水の動的な性質を補完するために、MDシミュレーションを行い、水分子の拡散係数^（注16）、水分子の四面体性(tetrahedrality)^（注17）および水素結合数を調べました。その結果、界面からの距離に応じた拡散性の違いや、バルク中の水分子とは異なる構造的特性が明確化されました（図2）。

細孔中央部の水分子は界面からの相互作用が弱いため、結晶を乾燥させると細孔中央部の水分子が優先的に抜け出ていきます。そこで結晶の脱水過程を大型放射光施設SPring-8^（注18）(BL02B2、BL43IR、BL07LSU)におけるIRおよびXES測定によって追跡することで、材料界面から第二水和圏の水分子の分光スペクトルの測定に成功しました（図3）。スペクトルを解析したところ、細孔中央部の水分子は水素結合が弱く、水の四面体構造が欠損した状態のものが多いことがわかりました。この結果は、細孔中央部の水分子が高い構造柔軟性を示していたことを裏付ける決定的な証拠となります。特にXESでは、第二水和圏の水分子はバルクの水分子に比べて水素結合に欠損を含む水分子を多く含むことを示す結果が得られました。そして、計算XESによっても実験のスペクトルを再現することができ、理論的裏付けもなされました。

今回用いた結晶性化合物は、3次元的に凹凸がある低対称な分子を特定の配列に整列させた低エントロピー集合体となります。このような材料の場合、その細孔表面には高い構造情報量と識別性があらわれ、界面で相互作用する分子の構造について多くの情報を与えます。本研究で観察された界面からの距離に応じた水分子の不均一性は、細孔表面における高い構造情報量と識別性が水分子の水素結合を介して情報伝達した結果と考えられます。水素結合を介した長距離情報伝達は、生体分子の機能発現にも観察される重要な現象です。今回の分子集合体は人工的な分子素子であり、生体分子と比べると構造的に剛直なものではありますが、秩序化された水素結合ネットワークを介した情報伝達が観察されたことは、分子レベルの情報がどのように制御された形で空間的に伝達されるかを理解するための概念的なモデルを提供したとも言えます。この特性は、材料界面での分子認識とユニークな集合構造を高分解能で研究するのに適した材料群として、低エントロピー材料の可能性を示すものです。

本研究により、複数の分子素子を分子間相互作用によって集合化させることで、多孔性化合物を合成可能であることが示されました。特に、複数の分子素子を特定の配列で整列させた場合、分子が取りうる配置の数が減少するため低エントロピー構造となります。その低エントロピー構造がもつ高い情報密度と高い識別能が、水分子の界面からの距離に応じた不均一性を明らかにする上で重要な役割を果たしていることが示されました。本研究で明らかになった水分子の性質は、生体分子や高分子材料のような凹凸を有する界面を模倣したモデル系として優れており、生体界面や機能性材料の設計に関する基礎的な知見を提供するものです。一方で材料科学および合成化学的な側面では課題も残されています。本研究によって低エントロピー・高情報密度をもつ結晶性材料の応用例が示されましたが、合成手法の一般化にはさらなる検討が必要です。それには情報理論の観点から固体材料を評価し、同時に機械学習^（注19）などを取り入れることが有効かもしれません。低エントロピー・高情報密度を有する多成分系固体材料の形成原理の確立と、新しいカテゴリーの固体材料の開発と応用につながる可能性があります。

東京大学
　大学院総合文化研究科
　　堀内　新之介　講師
　　小倉　祥太　博士課程

　物性研究所 附属極限コヒーレント光科学研究センター
　　原田　慈久　教授
　　木内　久雄　助教（研究当時）

東京理科大学 理学部第一部化学科
　　大坪　主弥　准教授

高輝度光科学研究センター
　　池本　夕佳　主席研究員

北里大学 未来工学部　データサイエンス学科
　　渡辺　豪　教授
　　篠崎　雄大　理学研究科修士課程（研究当時）
　　露木　弘美　理学研究科修士課程（研究当時）

広島大学 放射光科学研究所
　　高橋　修　特任教授

長崎大学 大学院総合生産科学研究科
　　林　幹大　准教授
　　作田　絵里　教授
　　有川　康弘　准教授
　　馬越　啓介　教授

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科研費「若手研究（課題番号:JP19K15589）」、「基盤研究B（課題番号:JP23H01806）」、「基盤研究C（課題番号:JP23K04775）」、「新学術領域研究:水圏機能材料（課題番号:JP19H05717、JP19H05718、JP20H05231、JP22H04550、JP22H04554）」、「学術変革領域A:動的エキシトン（課題番号:JP23H03941）」、「文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ事業（課題番号:JPMXS0422500320、JPMXP1223UT0168、JPMXP1224UT0012）」、長崎大学卓越大学院プログラム、公益財団法人クリタ水・環境科学振興財団研究助成、公益財団法人住友電工グループ社会貢献基金研究助成、公益財団法人ソルト・サイエンス研究財団の支援により実施されました。

【用語解説】

グローバルRNA結合タンパク質で発見された新たなRNA結合様式　
遺伝子の働きの制御や細菌の病原性発現の仕組みの理解につながる研究成果

2025年9月3日
大阪医科薬科大学
高輝度光科学研究センター

◎　細菌のRNA結合タンパク質KhpBの構造を高解像度X線結晶解析で解明した。
◎　RNA結合タンパク質がRNA分子を結合する新しい仕組みを発見した。
◎　KhpBは病原性発現の鍵を握るタンパク質であり、抗菌薬開発への応用が期待される。

細菌は、環境に応じて遺伝子発現を巧みに制御しており、その中でもgRBPを介した転写後調節は重要な役割を担っています。これまでに、CsrA、Hfq、ProQといったgRBPがよく知られており、それらのタンパク質は翻訳効率やRNA安定性の制御を通じて細菌の増殖や病原性に関与しています。近年、KhpBという新たなgRBPタンパク質が注目されており、多様なグラム陽性・陰性菌で遺伝子発現を調節していることが示唆されています。 例えば、ヒトの常在菌であるFusobacterium nucleatumは、大腸がんの発症や進展に寄与することが分かってきていますが、この細菌のKhpBは多様なRNAと相互作用し、病原性の発現に関与すると考えられています。KhpBはRNA結合に関与する2つのドメイン（KHおよびR3H）を持ちますが、その詳細なRNA認識機構は不明でした。本研究では、Thermus thermophilus由来のKhpBをモデル分子として用いて、SPring-8の放射光によるX線結晶構造解析を行い、両ドメインによる協調的なRNA認識の仕組みを解明しました。

本研究は、KhpBのRNA認識の仕組みを原子レベルで理解した初の報告であり、今後、病原性細菌におけるKhpBの標的RNA分子の同定、さらには新たな抗菌戦略の開発につながると期待されます。

一般的に、タンパク質の高解像度X線結晶構造解析では良質な結晶が必要となります。本研究で解析対象としたKhpBについては、良質な結晶の作製が困難でしたが、SPring-8の高輝度X線と共同研究者による最適なデータ取得のための工夫により、高解像度の構造解析に成功しました。本成果は基礎的な知見ですが、KhpBの構造情報は将来的な抗菌戦略の開発にもつながる可能性があります。今後も本タンパク質の機能解明を進め、応用研究への展開を目指していきます。

本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業の支援を得て行われました。

【用語説明】

世界初！白金酸化物で新規層状物質群を創出
―計算支援による高圧物質開発の革新―

2025年8月22日
大阪大学
東京大学

◆白金酸化物において世界初のルチル型構造を層母体とした層状ホモロガス系列Na(PtO₂)_2n+1 (n = 1, 2)の合成に成功
◆白金は化学的不活性や強い還元傾向があるため酸化物の開発が遅れていたが、高圧合成法による超高酸化雰囲気を活用することでこの問題を克服
◆固体化学的知見と第一原理計算による安定性予測を効果的に組み合わせることで、新しい層状物質群の開拓に成功

本研究は、酸化物の構造および高圧合成に関して長年培われてきた固体化学的知見に、第一原理計算による構造安定性予測を融合させることで、高圧下に眠る準安定相を可視化し、新物質合成に成功した例だと言えます。まさに固体化学における不易流行の実践例と位置づけることができます。

遷移金属酸化物は高温超伝導、電池材料、触媒など多様な機能を示す物質群であり、特に3d遷移金属酸化物におけるペロブスカイト型構造^※4を層母体とした層状ホモロガス系列Ruddlesden-Popper相^※5はその典型です。一方で、白金を含む後期5d遷移金属は、貴金属ゆえの高い化学的不活性さや還元傾向により、酸化物との相性が悪く物質探索が困難です。しかし、白金は遷移金属特有の酸素による八面体配位だけではなく平面四配位の形成も可能というユニークな特徴を有する元素でもあり、潜在的に結晶構造の大きな多様性を秘めていると考えられます。

石渡教授らの研究グループは、超高酸化雰囲気を可能にする高圧合成法を活用することで、ナトリウム(Na)と白金(Pt)からなる新規な酸化物NaPt₃O₆の単結晶合成に成功しました。 大型放射光施設SPring-8^※6(BL02B1)で単結晶を用いたX線回折実験^※7を行った結果、PtO₆八面体がルチル型構造の母体による2次元層を形成し、層間でPtO₄平面が重なりながら1次元鎖を形成するという珍しい構造をもつことを明らかにしました。 高圧合成で得られる層状ホモロガス系列酸化物の代表例としては、ペロブスカイト型構造を層母体とするRuddlesden-Popper相が知られており、一般式はペロブスカイト層の枚数をnとして、A_n+1B_nO_3n+1と表されます。 一方、ルチル型構造はペロブスカイト型構造と同様に圧力下で安定化しやすい稠密な構造をもつにも関わらず、これを層母体とした層状ホモロガス系列は発見されていませんでした。 本研究では、新物質NaPt₃O₆がルチル構造を内包する層状物質であることに着目し、ルチル型層の枚数nを2以上にした高次の層状構造を設計し、第一原理計算を活用して高圧下で最適化された構造のエネルギーを評価することで、n=2のNaPt₅O₁₀が高圧合成で得られることを予測しました。 この計算結果を受けて実際に高圧合成を試み、得られた単結晶のX線回折実験を行ったところ、第一原理計算で得たものと同様の結晶構造であることを明らかにしました（図2）。 よって、これらの新物質はNa(PtO₂)_2n+1 (n = 1, 2)という一般式で表される層状ホモロガス系列であることを明らかにしました（n=∞は触媒材料として知られるルチル型PtO₂）。 今後、n=3以上のものも含めた様々なルチル型層状酸化物が見出されることが期待されます。

本研究成果は、従来のペロブスカイト型構造を基盤とするホモロガス系列において追求されてきた機能性酸化物群に対し、「ルチル型」という新しい構造モチーフを基盤とする機能性酸化物群を提供することが期待されます。今後は、磁性・伝導性・触媒特性などに関する系統的研究が期待され、スピントロニクスや酸素還元触媒への展開も視野に入ります。さらに本研究は、第一原理計算を物質探索の出発点とするアプローチが、未知の準安定相の系統的開拓を可能にする有効な戦略であることを示しており、材料科学の新たな指針を提示する成果だといえます。

本研究は、科学研究費助成事業(KAKEN)「ポストスピントロニクス創成に向けた準安定強相関物質の網羅的開拓」(JP25H00420)、「準安定スピントロニクス材料の戦略的高圧合成」(JP22H0034)、「アシンメトリ量子物質の開拓」(JP23H04871) 及び「量子金属における創発現象の相関設計」(25H01248)、科学技術振興機構(JST)のCREST(JPMJCR2435)及びFOREST(JPMJFR236K)などの支援を受けて行われました。また、名古屋大学大学院理学研究科の中埜彰俊氏、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の佐賀山基氏、物質・材料研究機構マテリアル基盤研究センターの山崎裕一氏らの協力を得て行われました。

【用語説明】