地震の発生頻度は岩石にかかる力の大きさを反映することを解明
大地震発生の評価につながる基礎研究

2025年5月26日
愛媛大学
高輝度光科学研究センター
理化学研究所

●実験室におけるミニ地震の発生は、岩石試料が受ける力が過去に受けた最大値を上回った場合に限られること（カイザー効果）が知られていた。
●しかし、技術的な問題により、カイザー効果は常温常圧でしか確認されておらず、数10kmの深さで発生する実際の地震の高温・高圧下では確認されていない。
●本研究では、深さ60～90kmの地震発生場の温度圧力環境を実験室で再現し、カンラン石の変形実験とミニ地震の測定を行った。
●サブ秒オーダー（1秒以下）の高い時間分解能での観察を可能にするSPring-8の次世代X線が、実験成功の鍵となった。
●この結果、地震発生場の温度圧力環境下にてカイザー効果はおおむね成立したが、カイザー効果に反する結果も得られた。
●地震発生場の温度圧力環境下では、岩石がある一定以上の強い力を受けている場合にのみ地震が発生するものと予想される。

地震発生予測技術の実用化は、地震大国である我が国にとって悲願です。これまで、大地震の前兆現象の有無について経験的・統計的な観点から検討され続けてきました。その結果、予測の指標となりうる観測値（例えばグーテンベルク・リヒター則のb値^（※1））が見いだされていますが、いずれの指標も防災に応用できる程の高い有効性はありません。そもそも、経験的・統計的な観点から得られた“指標”は、「なぜそれが指標となりうるのか？」といった問いに明確に答えることができません。
一方、物質科学的に裏付けされた地震発生予測の指標があれば、より信頼しうる指標となりえます。カイザー効果は、その代表例です。カイザー効果はもともと1950年にドイツのカイザー博士によって金属の変形・破壊のプロセスにて見出された現象で、その物質が受ける力が過去に受けた力の最大値を超えた場合に破壊が発生する、というものです。岩石でも同様にカイザー効果が成り立つことが知られており、常温常圧の実験室におけるミニ地震の発生は岩石が受ける差応力が過去最大値を更新した場合に限られます。仮にカイザー効果が実際の地震発生場でも成り立つのであれば、微弱地震が頻発する状況は「地下の岩石がかつてないほどの力を受けている」ことを意味します。これはすなわち、大地震発生の可能性が高まっていることを示唆することとなります。このような背景から、カイザー効果に関する研究は防災への応用が期待されます。これまで多くの研究がなされてきましたが、地下10～700 kmに位置する地震発生場の高温高圧環境下（200～1000℃、0.3～25万気圧）での実験は行われてきませんでした。そのような環境下にて、サブ秒単位（1秒以下）で進行する破壊現象を連続的に観察するのは技術的に困難だったためです。
愛媛大学先端研究院地球深部ダイナミクス研究センター（GRC）の大内智博准教授を中心とする本研究チームは、稍（やや）深発地震（図１）が多発する深さ60～90 kmのプレート内部の温度圧力条件下（600～900℃、2～3万気圧）でのカンラン石^（※2）の変形実験^（※3）を大型放射光施設SPring-8^（※4）のビームラインBL15XU 及びBL04B1にて行いました（図２）。特にBL15XUでは強力な次世代X線と高温高圧発生装置（マルチアンビル装置）を組み合わせて用いることで、高温高圧下にてサブ秒単位で進行するカンラン石の破壊現象の観察に成功しました。実験ではGRCで独自に開発した高圧力環境用の測定技術を用い、カンラン石試料を押しつぶした際に発生する『アコースティック・エミッション（AE）』^（※5）という音波を検出しました。これは実験室における“ミニ地震”に相当し、自然地震を実験室で模した状況を再現できたことになります。
実験では、差応力が過去最大値を更新しながら上昇しつづける場合にはミニ地震が発生し、差応力が低い状態ではミニ地震の発生が休止するという結果が得られました（図３）。この結果はカイザー効果の定義と一致します。しかし一方で、カイザー効果の定義から外れる結果も得られました（差応力が過去最大値を下回っている場合でも、ある程度差応力が高い状態が維持され続ける場合にはミニ地震は発生する）。以上の結果は、高温高圧下にて微弱地震が頻発する状況は、どちらの場合であっても「地震発生場の岩石がある一定程度の強い力を受けている状態」であると解釈することができます。
本研究では微弱地震の発生頻度における差応力の効果を検証しましたが、微弱地震の発生頻度は他の効果（例えば地下水の侵入など）によっても影響を受けるものと予想されます。そのため、防災への応用には本研究のような基礎実験を継続して積み重ねていく必要があります。今後、室内実験の結果と地震観測の結果を合わせることによって、大地震発生の可能性評価への展望が期待されます。

図１．日本列島下に沈み込むプレートと稍深発地震。稍深発地震とは、深さ50～300kmにて発生する地震のことを指す。稍深発地震のほとんどは、日本をはじめとした沈み込み帯において、地球深部へと沈み込むプレートの内部にて発生する。稍深発地震は、プレート内部にて「二重深発地震面」という地震発生場を形成する。

■日本学術振興会科学研究費補助金
　課題番号：19H00722, 23H00147
■三菱財団
　課題番号：202310008
■SPring-8一般利用課題
　課題番号：2022B1183, 2023A1213, 2023B1229
■SACLA/SPring-8基盤開発プログラム

【用語解説】

結晶・非晶質によらず選んだ元素まわりの構造可視化に成功
～蛍光X線ホログラフィー・X線異常散乱複合計測装置を開発～

2024年12月26日
高輝度光科学研究センター
名古屋工業大学

【研究の背景】
　近年のナノテクノロジーの進歩によって原子レベルでの材料作製が可能となり、多くの機能性材料が生み出されてきました。それに伴って、機能性材料をより高度化・高性能化するために、“材料のどの部分が得られた機能に関わっているかを原子レベルで可視化したい”、という要望がますます増えています。それを実現する放射光実験手法はいくつか知られています。例えば、結晶内に形成される局所構造（例えば半導体で代表的な添加不純物まわりの局所構造）を可視化するには蛍光X線ホログラフィーが、ガラスに代表される非晶質の特定元素まわりの局所構造を解析するにはX線異常散乱が活用されています。一方で、この二つの測定手法で解析を行うには別々の実験装置・ビームラインで実験を実施する必要があり効率的とはいえませんでした。なにより、材料開発の視点からは、両手法で観察できる対象物質を大きく拡大させることが求められていました。

【研究内容と成果】
　研究グループは、結晶内に形成される局所構造と非晶質（ガラス）内の規則構造という一見相反する物質相のどちらの局所構造も解析できる蛍光X線ホログラフィー・X線異常散乱複合計測装置を開発しました（図1）。実験はオープンハッチスペースで装置全体のシステムを容易に搬入出できるBL47XUで行われました。
　蛍光X線ホログラフィー実験においては、これまで計測の難しかったゼオライト（スコレサイト）についてカルシウム周りの局所構造の可視化に成功しました（図2）。ゼオライトは一般に明瞭なホログラムが形成されず蛍光X線ホログラフィーでの像再生に難がある材料の一つでした。本装置ではゼオライト結晶からのBragg反射^※5をX線異常散乱で利用する検出器軸を活用して測定することで、容易にかつ精密にゼオライトの結晶方位を決定することが可能となり、より精度の高いホログラム取得を可能としました。これは、２つの計測手法を１つの装置にまとめたことによる相乗効果といえます。さらに、装置全体の剛性や回転軸の精度を向上させたことで、集光素子との組み合わせにより、これまで不可能であった大きさ10μmほどの微小試料に対しても蛍光X線ホログラフィーによる構造計測の道がひらけました。
　X線異常散乱実験では、高輝度アンジュレーター光に加え、フッ化リチウムを分光結晶とするエネルギー分解計測システムを３連装化することによって、非晶質中の規則構造を元素選択的かつハイスループット（高精度、かつ3倍以上高速）に抽出できるようになりました（図3）。X線異常散乱法は、注目する元素のX線吸収端近傍の２つのエネルギーのX線を用いてそれぞれのX線散乱パターンを測定し、その差分をとることで注目元素に関連する情報のみを抽出します。本装置は、分光結晶による散乱X線のエネルギー分解計測を採用しているため、これまで問題となっていたコンプトン散乱や共鳴ラマン散乱など余計な成分を取り除いた、弾性散乱のみを取り出した高精度計測が可能です。本研究では、SPring-8 の世界最高性能の放射光を利用することで、銀（Ag）元素を対象としたX線異常散乱実験を実施しました。もちろん、X線異常散乱においても集光素子と組み合わせた微小領域計測が可能となっています。

【今後の展開】
　蛍光X線ホログラフィーとX線異常散乱のいずれの手法も放射光の波長選択性を効果的に活用することで元素選択的な構造解析を可能としている点が共通の特色といえます。研究グループはこの点に着目し、結晶や非晶質（ガラス）という物質相にとらわれない装置開発を行いました。その結果、従来の実験装置では実現できなかった計測が可能となるなど局所構造計測に大きな飛躍をもたらし、両手法で解析できる対象物質が大きく拡がりました。今後、多くの結晶と非晶質（ガラス）の機能性材料の解析・研究開発に活用されることが期待されます。さらには、機能性材料における局所構造と機能の関係を物質相にとらわれずに統一的に理解する道を探るプローブとしての役割が見込まれます。

【謝辞】
　本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業・学術変革領域研究(A)「超秩序構造が創造する物性科学」 （20H05878, 20H05880, 20H05881）の一環として行われました。

【用語解説】

室温で水素ガスと重水素ガスを簡単に分離
冷却不要の省エネルギーな重水素ガス製造技術の実現に期待

2025年3月3日
国立大学法人東北大学
国立大学法人北海道大学
国立大学法人和歌山大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

●マンガン（Mn）錯体においてKubas相互作用^（注１）を利用した室温領域での可逆的水素吸脱着を実現しました。
●水素（H₂）ガスと重水素（D₂）ガスで4.2 kJ/molという既存物質に対して約２倍の吸着エネルギー^（注２）の差を実現し、室温でのH₂/D₂の分離能を実証しました。
●現行の液体水素の蒸留に替わる省エネルギーでのD₂ガス製造への応用展開が期待されます。

水素の安定同位体である重水素（D）は、核磁気共鳴（NMR）溶媒、カナダの重水炉での中性子減速材、生体反応のトレーサー、紫外線ランプなど、古くから幅広い用途で使用されています。近年では、シリコン半導体表面のD処理によるデバイスの長寿命化や、D置換による有機EL（OLED）発光分子の耐久性向上が明らかとなり、Dの需要は今後さらに増加すると予想されます。
Dは主に海水中にわずかに存在しており、工業的にはH₂O + HDS ⇆ HDO + H₂Sの化学交換を利用したGirdler-Sulfide（GS）法や液体水素の蒸留法（－250℃）などで分離濃縮し製造されています。しかしながらGS法では有毒のH₂Sを用いること、蒸留法では水素の冷却に多くのエネルギーを必要とすることなどの課題を抱えており、安全かつ省エネルギーな分離濃縮法の開発が求められています。 そのような中、2015年に提案された化学親和性量子ふるい（CAQS）と呼ばれる新しい同位体分離法が注目されています。この手法は水素分子が金属原子に物理吸着^（注4）する際に生じるH₂とD₂の吸着エネルギー差を利用します。しかし、水素分子の物理吸着エネルギー自体が非常に小さい（< 15 kJ/mol）ために、これまでCAQSの作動温度は－100℃以下の低温に限られていました。

本研究グループでは、水素の吸着エネルギーを増加させるため「Kubas相互作用」と呼ばれる相互作用に注目しました。Kubas相互作用とは、低酸化数の遷移金属錯体において見られるH₂分子と金属原子との間に働く引力的相互作用（図1左上）であり、これを利用することで単なる物理吸着よりも大きい吸着エネルギーが期待できます。本研究では、[Mn(dppe)₂(CO)](BArF²⁴)錯体（図1右上）を対象とし、H₂では 50.2 kJ/mol、D₂では54.4 kJ/molという物理吸着では到達不可能な吸着エネルギーを実現し、室温領域での水素吸着を可能にしました。さらに、4.2kJ/molという吸着エネルギーの同位体差が、CAQS機構に基づくことを明らかにしました。
また、理想吸着相溶液理論（Ideal adsorption solution theory ：IAST）^（注5） を用いたH₂/D₂混合ガスの分離シミュレーションを行ったところ、一度の吸脱着サイクルで、D₂ガスを約2倍濃縮できることが示され、室温で混合ガスの吸脱着を繰り返すだけでD₂ガスの濃縮が可能であることが分かりました（図2左）。破過実験^（注6）においてもH₂のほうがD₂よりも先に出てくる現象を見出しました（図2右）。
なお、本研究では、大型放射光施設SPring-8^（注7）のBL36XUを使用してXAFS計測を行いました。

本研究では、固相の金属錯体におけるKubas相互作用を利用することで、CAQS機構に基づく室温領域でのH₂/D₂分離を実現しました。今後はより分離能の高い錯体の開発および本錯体系を用いたD₂濃縮への応用が期待されます。

本成果は科学研究費補助金基盤研究 (B) (23H02054, 19H02729)、JST A-STEP (育成型、JPMJTR20T9)、量子化学探索研究所、公益信託ENEOS水素基金からの助成を受けて実施されました。

【用語解説】

ガラスは温度の上下を繰り返すと若返る？
―金属原子の並び方と振動の変化―

2024年12月17日
島根大学
熊本大学
東北大学
九州シンクロトロン光研究センター
高輝度光科学研究センター

●金属ガラスに液体窒素温度と室温の間を繰り返して上下させる「極低温若返り効果」を起こすことで原子配列が変化することが、放射光X線を用いた実験で詳しく明らかになりました。
●ガラス中の構造の不均質性も、元素によって大きく変化することがわかりました。
●X線非弾性散乱実験よりミクロな弾性的性質の不均質さも変化することが見出されました。
●この研究は、国内、国際を問わず、幅広い研究者の協力によって達成されたものです。

ガラスは一般的に静かに放置すると、例えば体積を減少させてエネルギー的に低い安定な状態へとゆるやかに変化します。これを緩和と言います。一方、外部からの刺激を与え続ければ、エネルギー的に高い状態へと戻ります。これを若返り効果と呼びます。若返りは、力を繰り返し加えてひずみを起こすことで生じることがよく知られています。最近、温度の上下を繰り返すことで若返り効果があることが知られるようになりました。この現象は通常、液体窒素の低温と室温を繰り返すことによって実験的に検討されますので、「極低温若返り」効果と呼ばれます。この現象はガラスが不均質であれば、部分によって熱膨張の大きさが異なり、その結果生ずるひずみによってガラスのエネルギー状態が不安定になると考えられていますが、そのような簡単な論理で若返り効果が説明できるかどうかは、まだ解決していません。また、極低温若返り効果によってミクロな原子配列や振動状態の変化があるかどうかも重要な議論の対象となっています。

今回の研究では原子配列や弾性的性質に不均質性が大きいと考えられているGd₆₅Co₃₅金属ガラスを対象としました。東北大学金属材料研究所が所有する装置を用いて、銅製の水冷ロール上に高温の液体試料を吹き付けてリボン状の金属ガラスを作製しました。およそ摂氏マイナス１９６度の液体窒素中と室温のエチルアルコール中を１分おきに４０回繰り返してつけることにより温度を上下させ、試料に極低温若返り効果を起こしました。放射光X線を用いた高エネルギーX線回折およびX線異常散乱法によって得られた実験結果を、逆モンテカルロ法^（注8）を用いて解析し、各構成元素のまわりの個別な原子の並び方を求めました。また、X線非弾性散乱法を用いて、金属ガラス中に縦波音波を生じさせるエネルギーとそのピーク信号の幅を求め、ガラスの弾性的な性質の不均質性が極低温若返り効果によってどのように変化するのかを検討しました。
図１は上から下に、高エネルギーX線回折で求めた全構造因子S(Q)、X線異常散乱によって求めたGdおよびCoの差構造因子Δ_kS(Q)を○印で示しています。温度変化の繰り返しの前後をそれぞれ青、赤で区別しています。図を見やすくするために0.5のかさ上げを赤のデータに施しました。実線はそれぞれのデータに逆モンテカルロ法によるフィットを行った結果を示していますが、いずれの結果もよく一致しています。

図２は、逆モンテカルロ計算から得られた、部分二体分布関数g_ij(r)を示します。青および赤は温度サイクル処置の前後をそれぞれ示しています。Gd原子半径はCoのそれと比較して非常に大きいため、図からよくわかるようにGd-Gdの部分原子間距離はおよそ0.36 ナノメートル（nm、10^-9 m）で、Co-Coのおよそ0.28 nmと比較すると非常に大きくなっています。Gd-Coはそれらの平均ではなく、Co-Coとほぼ同じ0.28 nmとなっていますので、Gd-Co間は単純な剛体球ではなく、何らかの引力が働いていると考えられます。

さて、温度サイクル前後で見られる大きな違いは、Co-Coの第一近接の分布が遠距離側に大きくシフトしています。またGd-Gdのピークと同じ長さに小さなピークが成長しています。ピークの成長はGd-Coのg_ij(r)にも見ることができます。したがって、温度サイクルによって、Co原子が遠距離側に大きく変化していると結論づけることができます。また、Gd-GdおよびGd-Coのピークの高さはわずかに減少しています。
図３は、温度サイクル(a)前と(b)後のGdを中心とした原子配列の模式図を示します。温度サイクルによりCo原子が0.28 nm付近から0.36 nm付近に移動した結果、破線で示したようにやや長い距離のCo-Co結合が生じたと考えられます。その結果新しくて長いGd-Co結合も生じています。

図４に、X線非弾性散乱測定で得られた温度サイクル(a)前と(b)後の動的構造因子S(Q,ω)を対数表示で示します。○印が実験結果、実線は緩慢調和振動子（DHO）モデルを用いたフィットの結果です。実験結果はモデルとよく一致しています。中心のピークは準弾性散乱を示していて、原子の拡散の情報が入っていますが、この試料はガラスですのでほぼ装置の分解能関数と一致しています。右および左のピークは縦波音響音波による励起信号で、それぞれストークスおよび反ストークス・ピークと呼ばれているものです。ピーク位置は波数Qによって移動しており、これを分散関係と呼びます。モデルにより、それぞれの励起エネルギーω_Qとその幅Γ_Qを求めることができます。

図５に、温度サイクル前（青）と後（赤）のDHOモデルによって得られた(a)ω_Qと(b)Γ_QのQ変化を示します。(a)で明らかなように、ω_Qの平均値は若返りによって変化しない、つまりガラスの弾性の大きさの平均は変わらないことがわかりました。しかしながら、(b)Γ_Qの結果では、Qが6 nm^-1を超えると、温度サイクルによっておよそ20％も大きくなることがわかります。これは、弾性の大きさに幅が生じる、すなわち温度サイクルによってガラス中の弾性の不均質性が大きくなることを示しています。差が6 nm^-1を超えると現れるのも意味があり、弾性の不均質さが大きくなるのは、2π/6 ~ 1 nm以内、すなわち数原子間距離の範囲で起こっていることを示しています。

本研究の成果により、温度の上下を数10回繰り返すだけで、不均質性が大きいとされる金属ガラスの原子配列や弾性的な性質の不均質性が大きく変化することがわかりました。このことは、ガラスはそのミクロな構造、弾性不均質性がその熱履歴によって大きく変化する若返り現象を起こすものであるという、結晶物質では全くあり得ないことを実験的に明らかにすることができました。このことはランダム系の科学に新しい見地を提示することができたと考えています。
原子配列が変化すれば、それに応じて電子状態も変化するのではないかと考えることができます。私たちはすでに、放射光を用いた光電子分光、軟X線吸収、発光分光あるいは逆光電子分光実験を、極低温若返りを起こす前後のGd₆₅Co₃₅金属ガラスを対象として行っています。その結果、原子配列が大きく変わるCoの3d電子状態に大きな変化が起こることを見出しています。この結果は近日中に論文発表を行う予定です。
若返り現象はガラスにのみ見られるランダム系に密接な現象です。今回の研究成果がすぐに何かの応用に結びつくとはとても考えられません。しかし、ランダム系に関係する多くの研究者の、ガラスを見るミクロな視点を大きく変化させるダイナミックな内容を含んでいることが重要ではないかと思います。今後数多くある金属ガラスに同様な若返り現象が見出され、ガラスの科学に新たな指針が提案されることを期待します。

本研究は文部科学省科学研究費補助金・学術変革領域研究(A)「超秩序構造科学」および基盤研究(C)、科学技術振興機構CREST、および東北大学金属材料研究所GIMRT共同利用システムの支援を受けて実施されたものです。

【用語解説】

（注1）金属ガラス
ある種の合金の液体を急速に冷却すると、液体のランダムな原子配列がそのまま凍結されてガラス状態を作り、金属ガラスになります。当初は、水冷した銅の回転ドラムに液体金属を吹き付けるなど、薄いリボン状のものだけが作製可能で、その応用範囲はトランスの芯などに限られていました。しかしながら、1980年代のPd₄₀Ni₄₀P₂₀の登場により、液体金属を水で急冷する程度で数多くのバルク状の金属ガラスを作製できることがわかり、硬くて磨耗しない小さな金属部品を金属加工ではなく鋳造で作製できるなど応用が広がりました。ガラス形成能の良い金属ガラスを用いることにより、ゆっくりと金属部品が作製できるようになり、より複雑な形状のものを作ることができるようになります。

（注2）若返り効果
前述したように、ガラスは液体を急冷凍結してそのランダムな原子配列が固体となっても凍結されることによって作られます。図６は、ガラス形成の温度（Temperature）と体積（Volume）の関係の模式図を示しました。図の右上の高温の液体（Liquid）を急冷しますと、破線のようにゆっくりと冷却したときの融点（T_m）より低い温度になっても過冷却液体（Supercooled liquid）となって連続的に体積を減少させていきます。温度がガラス転移点（T_g）を下回ると傾きはやや小さくなってガラス（Glass）として凍結されます。ガラスはしばらくの間、焼鈍（Anneal）しておきますと、より体積の小さな状態へと変化します。これが一般的なガラスの「焼きなまし」と呼ばれる変化で、ガラスの持つエネルギーもより低くなります。

図６：ガラス形成の温度（Temperature）と体積（Volume）の関係の模式図

この安定したガラスに外部から刺激を与えて、反対にエネルギーの高い状態に戻すのが「若返り（Rejuvenation）」です。これまでの若返りの研究は、ガラスを押しつぶすあるいはひねるなど、力を加えてエネルギー状態を高くする方法で起こす多くの研究があります。
この研究では、その効果が最近見出された温度サイクルによる若返り効果、「極低温若返り」効果に着目しました。その大きな特徴は、ガラスには部分によってその原子配列や弾性的な性質が一様でない「不均質性」が、その若返り効果を生み出す原点となっていることです。すなわち、温度を上下させることにより、ガラスの膨張、収縮の大きさに部分的な違いが起こり、その結果ガラス内にひずみが生じてエネルギーが高くなっていくというのがその若返りのメカニズムとなっています。もしガラスが均質であれば、温度を上下させても単純に膨張収縮を繰り返すだけで、ガラス内にひずみは生じません。このガラスの不均質性と若返りの関係を実験的に深く追求したのが本研究のテーマとなっていますので、それによりガラス分野の研究者の興味を強くひく内容になっています。
余談ですが、温度を上下させることで状態の変化を観測しているので、一般社会では「劣化」あるいは「老化」現象と言うのではないかと私どもも思わないわけではありませんが、ここでは研究の歴史を踏まえて「若返り」という言い方をあえて保持しています。

（注3）大型放射光施設SPring-8
理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っています。SPring-8（スプリングエイト）の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。SPring-8では、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。

（注4）放射光Ｘ線
光速に近い速さで進む電子が、その進行方向を磁石による磁場などで変えられるときに、その接線方向に発生する電磁波を放射光と呼びます。放射光は、電子のエネルギーが高いほど明るく指向性が良くなり、電子が進む方向の変化が大きいほどX線などのより高いエネルギーで波長の短い電磁波を含みます。放射光には、次に示すような特徴があります。
　1. 極めて明るい。
　2. 細く絞られ拡がりにくい。
　3. X線から赤外線までの広い波長領域を含む。
　4. 偏光している。
　5. 短いパルス光の繰り返しである。
これらの特徴を活かしたさまざまな実験研究に用いることができます。

（注5）高エネルギーX線回折
SPring-8などの大型放射光源から発生する放射光には、100 keVにおよぶエネルギーのX線が含まれますので、これを新しい研究に用いることが可能となりました。その利点として、
　1. 非常に広い波数（Q）範囲にわたるX線回折実験が可能となるため、そのフーリエ変換によって得られる原子配置の情報の誤差が非常に小さくなります。
　2. 試料によるX線の吸収が非常に小さくなるため、例えば、この研究のようにX線吸収の大きな重金属を含んでいても1/10 mm程度の厚い試料を用いることができます。
　3. この研究とは無関係ですが、液体など容器が必要とする試料であっても、その吸収の補正や回折の除去などの補正が非常に簡単になります。

（注6）Ｘ線異常散乱
通常のX線回折では、用いるX線のエネルギーを変えても全く新しい情報は得られません。ところが構成元素に関係するX線の吸収端、すなわち最も強い引力で原子核と結びついている1s電子を外部に叩き出すエネルギーの近くに用いるX線のエネルギーを定めると、その元素からのX線の散乱が数％弱くなる異常（異常分散効果）があることが知られています。その結果、目標の元素にのみ限定された散乱情報のコントラストを得ることができます。これを利用した実験法をX線異常散乱と呼びます。

（注7）Ｘ線非弾性散乱
図７にＸ線非弾性散乱の原理を示します。波数k_i、エネルギーE_iで入射した光が2Θ方向に散乱すると、方向とエネルギーが変化して波数k_f、エネルギーE_fとなります。ここで波数の変化Q = k_f – k_iの大きさはQ = 4πsinΘ/λで、ここでλはＸ線の波長を示します。またエネルギーの変化はℏω = E_f – E_iで、ここではℏはプランク定数を2πで割ったデラック定数、ωは振動数を示します。

図７：非弾性散乱の原理

Ｘ線あるいは中性子が試料によって散乱すると、最も簡単な場合(格子振動が1種類のとき)には図８のような信号が得られます。エネルギーが変化しない中央のピークは、エネルギーが変化しない弾性散乱を示し、原子の瞬間的な配置および拡散についての情報を与えます。一方、物質はＸ線あるいは中性子よりある一定のエネルギーを得て格子振動を起こす(エネルギー変化が+側)、あるいは物質の格子振動が止まってそのエネルギーをＸ線あるいは中性子に与える(-側)ことが起こります。これが格子振動による非弾性散乱です。したがって、中央からの左右のピーク信号のエネルギー変化が格子振動のエネルギーとなります。また、そのエネルギーの広がりは、格子振動の寿命を与えることがわかっています。

図８：IXSデータの模式図

IXS実験が技術的に難しいのは、前述のように、入射する20キロ電子ボルトのエネルギーのX線を、数ミリ電子ボルトまでのエネルギーの選り分けを行って、中心の弾性散乱のピークのすそが格子振動の信号を決して覆い隠してしまわないようにエネルギー幅を小さくすることが重要です。これを行うためには、不断の努力により精巧に設計された装置と強力な放射光源が必要となります。現在、このような実験ができる施設は世界に5カ所しかありません。その中でも、（Ⅹ線強度、エネルギー分解能において）世界最高の施設が日本のSPring-8にあります。

（注8）逆モンテカルロ法
通常は回折実験の実験データにフーリエ変換と呼ばれる数学的な解析を行って原子配列を求めますが、この手法では逆に原子配列をあるモデルとして立ててから実験データを再現しようとする「逆問題」の立場で解析を行います。原子の位置を少しずつ変化させ、実験データにより合うときは採用、合わないときも一定の割合で採用するという、メトロポリスのアルゴリズムを使って、モデル原子配列が全ての実験データをより再現するまで繰り返しを行います。