「なぜ日本原子力研究開発機構が放射光を利用した物質科学の研究をするのですか？」よく質問を受けます。これにお答えすることが、第三世代大型放射光施設であるSPring-8を利用して我々が目指すものを理解していただくことになると考えます。
原子力研究においてその舞台の主役は、原子核でありそれを取り巻く電子です。原子核と電子から元素が構成され、元素の集まりとして様々な物質が存在しています。“物質を制する者は原子力を制す”、といっても過言ではありません。
それでは物質を制するにはどうすればいいのでしょうか。物質は超伝導や磁性、誘電性などの多様な性質を示します。原子力エネルギーの基本は、アインシュタインが発見した有名なE=MC2です。Cは光の速度、Mは物質の質量で、物質から取り出したエネルギーを利用するためには様々な物質の磁性、誘電特性、伝導特性やその特殊な形である超伝導特性を十二分に活用していますが、これらの性質は全て量子力学によって状態が規定されている電子が担っています。すなわち、物質を制するには、その性質を決めている1023個の電子の集合体の振る舞いを調べ、それを量子力学の言葉で理解することが必要です。
ここで登場するのが放射光X線です。X線は電子と直接相互作用することから、散乱・回折法や分光法によって物質を構成している電子の様々な側面を観ることができます。第三世代放射光の高輝度性、高指向性、広領域エネルギー選択性、高偏光特性を利用することによって、「生きた物質・材料」を観ることができます。すなわち、物質や材料が物性・機能を発揮している状態のその場観察することができ、これによって原子構造や電子の励起状態を実時間、実空間、あるいはエネルギー空間、運動量空間で明らかにすることができます。これらは、物性・機能解明、新機能物質創成、新規物質開発につながる重要で有用な情報となります。
ここ播磨には量子ビーム物性制御・解析技術研究ユニットと反応ダイナミックス研究ユニットの2つの研究ユニットを組織して物質科学の研究を推進しています。それぞれのユニットは、5つの研究グループ、及び3つの研究グループから成り、７つの実験グループと１つの理論グループが放射光を利用した様々な最先端計測技術の開発や高度化、さらには新しい理論やそれに基づいた解析手法を開発しています。それらを強相関電子系物質、金属水素化物、触媒、新規半導体、アクチノイド物質などに適用することによって新規物質開発を展開しています。特に、アクチノイド物質に関する研究は、原子力エネルギーに直接関わるものとして原子力機構の他の研究部門との強い連携で進めています。もちろん詳細なテーマはグループ毎に特徴をもったものになっていますが共通のキーワードとしては、「放射光先端測定技術開発」、それによる「反応と機能のダイナミックスと量子制御」ということができます。また、これまでに培われた独自の測定技術・手法を用いて、国の重点施策分野への積極的な参画を図っており、平成１９年度よりに開始された３つの国家事業において中核研究機関としての役割を担っています。
量子ビーム応用研究部門内の中性子線、レーザ、イオン、電子線などの量子ビームを利用した研究ユニットとの融合を進め、さらに産業界や外部研究機関との連携を促進して、「安全・安心で持続可能な社会」を実現するためにたゆまぬ研究開発を続けています。
2011年3月
(独)日本原子力研究開発機構
量子ビーム応用研究部門
副部門長
水木 純一郎
I am often asked why JAEA studies materials science using Synchrotron Radiation X-rays. In answering this question, I hope I can convince you of the importance that JAEA runs four beamlines at SPring-8 for investigating a variety of materials, within a research institute focused on atomic energy.
It is well-known that synchrotron radiation X-rays are a powerful type of quantum beam applied in various different research fields. JAEA is mandated by the government to develop not only quantum beam sources themselves, but also the state of the art techniques essential to fully exploit them.
Materials show many interesting and useful properties and phenomena such as superconductivity, magnetism, semiconductivity, and dielectricity . It is not an exaggeration to say that we wouldn’t be able to enjoy our modern lifestyle without exploiting these effects. The main player within materials is the electron, more than 1023 of which work collectively to generate these properties. It is necessary to understand their behavior within the framework of quantum mechanics in order to elucidate their properties and to discover new phenomena. The X-ray is a perfect probe for these purposes because X-rays interact directly with electrons. Also this interaction is weak enough to allow us to analyze the experimental data in a straight -forward manner. X-rays can be used not only in diffraction for studies on crystal structures with atomic resolution, but also for spectroscopy, to study electronic structures. Especially with the availability of synchrotron radiation X-rays at third generation sources like SPring-8, which furnish higher brightness, and better directional characteristics compar ed to second generation sources, the dynamical properties of electrons and atoms as well as their static properties can be investigated under the real-world conditions in both the energy and time domain, and in both reciprocal and real space.
The Quantum Beam Science Directorate (QuBS) of JAEA at SPring-8, Harima consists of two research divisions - the Reaction Dynamics division, and the Condensed Matter Science division. These divisions have three and five research groups, respectively, including one group which concentrates on theoretical studies. The common aim is to develop cutting -edge analysis and observation technologies using synchrotron radiation x-rays , and to apply these techniques to materials research. The main themes for our research in both divisions are to investigate the dynamics related to reactions and properties in materials and to achieve quantum control by applying state of the art observation techniques developed at SPring-8. Currently strongly correlated electron systems, metal hydrides, catalysts, novel semiconductors, and actinide materials are studied with diffraction and spectroscopic methods. Since actinide materials are related to nuclear energy directly, this research has been carried out in strong collaboration with other JAEA directorates . Also, we have succeeded in getting three government undertakings started from 2007.
This research is performed unflaggingly by not only collaboration with other quantum beam facilities within QuBS, but also with industry and other government institutes in a common aim to underpin a secure, safe and sustainable society.
March 2011
Jun'ichiro MIZUKI
Deputy Director General
Quantum Beam Science Directorate
Japan Atomic Energy Agency