Research

X線とは、波長が約0.1ナノメートルの電磁波（光）のことを指します。可視光や紫外線などの他の光の波長領域では、20世紀半ばにレーザーが登場したことで非線形光学や精密計測の研究が飛躍的に進展しました。一方、X線領域では高輝度な光源の実現が難しく、同様の進展には時間がかかってきました。そんな中、20世紀後半に登場した放射光や、近年のX線自由電子レーザー（X-ray free-electron laser; XFEL）の実現によって極めて明るいX線が利用可能となってきました。

私たちの研究室では、これらの先端的なX線光源を用いて物質の電子状態や構造を調べる研究を行うと同時に、ユニークな特徴を持つX線の開発に取り組んでいます。例えば、X線自由電子レーザーの時間幅をアト秒（10⁻¹⁸秒）レベルにまで短くする技術や、非線形X線現象を利用したX線光学技術の開発を行っています。これまでにない極限的なX線を用いて、物質の超高速ダイナミクスや新しい量子状態の観測を可能にすることで、物理・化学・生命科学の分野に新たな地平を切り拓くことを目指しています。

放射光科学は50年以上の長い歴史を持っていますが、X線輝度の指数関数的な増大も伴って未だ発展途上の研究分野です。皆さんと巨大な実験装置を駆使しながら自由な発想で次のブレイクスルーを生み出すことを楽しみにしています。

X-rays are a type of electromagnetic wave (light) with a wavelength of approximately 0.1 nanometers. In other regions of the electromagnetic spectrum, such as visible and ultraviolet light, the development of lasers in the mid-20th century led to rapid advances in fields like nonlinear optics and precision measurement. In contrast, progress in the X-ray region was slower due to the difficulty of generating high-brightness X-ray sources. However, the emergence of synchrotron radiation in the latter half of the 20th century, and more recently, the realization of X-ray free-electron lasers (XFELs), has made it possible to use extremely bright X-rays.

Our group conducts research using these advanced X-ray sources to investigate the electronic states and structures of matter, while also developing X-rays with novel characteristics. For example, we are working on technologies to shorten XFEL pulses down to the attosecond (10⁻¹⁸ seconds) regime, and on X-ray optical techniques that harness nonlinear X-ray phenomena. By using such unprecedented, extreme X-ray pulses, we aim to observe ultrafast dynamics and novel quantum states in matter, opening up new frontiers in physics, chemistry, and the life sciences.

Synchrotron radiation science has a history of over 50 years, but it remains a rapidly evolving research field thanks to the exponential growth in X-ray brightness. We look forward to working with you to explore the next breakthroughs, harnessing large-scale experimental facilities and bold, creative ideas.

アト秒X線パルスを利用した無損傷計測

Damage-free X-ray measurment with attosecond pulses

X線が試料に照射されると、電子が励起されることで試料の構造や電子状態が変化します。もしX線パルスの照射時間が電子励起の時間スケールよりも十分に短ければ、たとえ強力なX線を使ったとしても試料本来の姿を変えることなく観測できるようになります（「無損傷計測」）。私たちのこれまでの研究から、電子励起はX線を照射し始めて数百アト秒（1アト秒 = 10⁻¹⁸秒）程度から顕著に生じることが分かってきました。無損傷X線計測を実現するために、アト秒X線パルスを利用できるLCLS（米国）やEuropean XFEL（ドイツ）といった海外のXFEL施設に、自ら開発したナノ集光装置を持ち込んで実証実験を行っています。具体的には、タンパク質ナノ結晶の構造解析やX線非線形分光の実現を目指しています。また、アト秒XFELを用いた実験を日本国内でも可能にするため、理化学研究所放射光科学研究センターのSACLAにおいて電子ビームの圧縮技術の開発にも取り組んでいます。

When X-rays are irradiated onto a sample, the photonabsorption and subsequent cascade ionization excite electrons, leading to structural and electronic damage in matter. However, when the duration of the X-ray pulse is sufficiently shorter than the timescale of electronic excitation, it becomes possible to investigate the pristine state of your samples even with intense X-ray beam, enabling “damage-free measurement.” To demonstrate damage-free X-ray measurements, we combine our self-developed nanofocusing optics with attosecond X-ray pulses at LCLS (USA) and the European XFEL (Germany). We are targeting structural analysis of protein nanocrystals and the realization of nonlinear X-ray spectroscopy under damage-free conditions. In parallel, we are developing electron beam compression techniques at SACLA to make such experiments feasible in Japan.

Research highlights

• Nanofocused attosecond hard x-ray free-electron laser with intensity exceeding 10^19 W/cm2

• Squeeze it! (Press release by European XFEL)

エキゾチックな物質の生成と非線形X線光学素子としての応用

Generation and applications of X-ray-induced exotic states of matter

物質が強い光の電磁場にさらされると、物質の応答が線形ではなくなるという「非線形光学効果」が生じます。しかし、X線領域の非線形光学効果の多くは効果が微小なために、光の性質(波長、偏光、時間幅、方向など)を大きく変えることは困難です。私たちは、XFEL照射によって電子状態が大きく変化した物質に着目しています。これらの状態は、電子温度が1万Kを超える高エネルギー状態でありながら原子の位置はほとんど変化しないという、プラズマと凝縮系の中間にある特異な状態です。このエキゾチックな状態を解明するという物質科学としての興味と、それをX線光学素子として応用するという光科学としての観点の両面から研究を進めています。

When a material is exposed to an intense electromagnetic field, its response becomes nonlinear. In the X-ray regime, most nonlinear effects are extremely weak, making it challenging to manipulate the properties of light (wavelength, polarization, pulse duration, and propagation direction) through nonlinear optics. We are investigating materials whose electronic states are drastically modified by XFEL irradiation as a foundation for developing nonlinear X-ray optical devices. These states are highly energetic, with electron temperatures exceeding 10,000 K, yet the atomic positions remain largely unchanged, placing them in a unique regime between plasma and condensed matter. Our research aims both to uncover the nature of this exotic state of matter and to develop novel nonlinear X-ray optical elements based on it.

Research highlights

• 高強度X線が引き起こす特殊な融解現象

• X線レーザーを照射された原子は遅れて動き始める

• X線回折に潜む非線形性の発見

• ホロー原子を使ったX線レーザーの短パルス化

光学技術によるX線光子の高密度化

Boosting X-ray brilliance via novel optical techniques 

多くのX線計測では、試料に照射された光子数の総量が実験データの質を左右します。試料に照射される光子数を向上させるためには、X線を小さなスポットに集光することや、そもそものX線光源の明るさを上げることが必要になります。私たちは、新しいコンセプトに基づく光学技術を開発することでX線光子の高密度化を目指しています。

The quality of experimental data with X-ray beam is strongly influenced by the total number of photons irradiating the sample. To increase the photon flux on the sample, it is essential either to focus the X-rays to a smaller spot or to enhance the brightness of the X-ray source itself. We are working to achieve high X-ray flux by developing optical technologies based on novel concepts.

Research highlights

• X線自由電子レーザーの極限的7 nm集光を実現 ―ピーク強度10^22 W/cm^2に達する世界最高光子密度のX線レーザー

• SACLAの明るさを6倍にすることに成功

短波長X線を利用した精密構造解析

Structure determination with high energy X-ray beams

With the sophisticated optics, synchrotron radiation and XFELs are able to produce extremely intense and high energy (very short wavelength) X-ray beams. By utilizing such X-ray beams, we aim to visualize the spatial distribution of valence electrons and hydrogen atoms in materials, as well as to investigate the atomic-scale structure of samples enclosed within thick objects.

Research highlights

• SiO2ガラスの圧力下における異常特性の構造的起源

• 相変化メモリの高度化につながる、圧力下でのガラス相転移機構を解明

• XFELと電子顕微鏡による低分子有機化合物の結晶構造解析

• 解析が難しい微小結晶試料の構造を高精度で解明