日本國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構（QST）的山本航平研究員、宮脅淳主幹研究員，以及日本東北大學跨學科科學前緣研究所的鈴木博人助教等人組成的研究團隊利用安裝在NanoTerasu（全球最高性能軟X射線同步輻射設施）的共振非彈性X射線散射裝置「2D-RIXS」，全球首次成功實現了以1微米以下的精度視覺化物質中電子的行蹤。宮脅主幹研究員表示：「此前，同時兼顧高精度（能量分辨率）和位置資訊（空間解析度）十分困難，但通過反向計算X射線光量子的空間資訊，我們成功開發出了2D-RIXS顯微鏡。今後有望為自旋電子學等廣泛領域的固體材料開發做出貢獻」。相關成果已發表在《Journal of Synchrotron Radiation》上。
QST的宮脅淳主幹研究員（左）與山本航平研究員（供圖：科學新聞）
QST於2024年自主研發出了具有全球最高能量分辨率的2D-RIXS，2025年3月起已供眾多研究人員使用。另一方面，隨著半導體元件的微型化進程不斷推進，以及以不勻性為關鍵的量子材料研究不斷深入，不僅需要了解「電子處於何種狀態」，更需要明確「該電子存在於樣本中的哪個位置」，這一點已變得不可或缺。
為了在不損失超高能量分辨率的同時獲得空間解析度，研究團隊從根本上重新審視了2D-RIXS裝置的原理。在2D-RIXS中，為了實現超高能量分辨率，通常會將X射線照射後獲得的整個樣本信號進行疊加以提高強度，但研究團隊注意到，在疊加前的單個數據中，也包含了該信號來自樣本中哪個位置的資訊。基於該構想，通過反復進行空間解析度評估與光學系精密控制等紮實而持久的驗證，研究團隊確立了追蹤每個X射線光次空間資訊的方法，從而同時實現了此前被認為無法兼得的超高能量分辨率與高空間解析度。
圖1：兼具超高能量分辨率與高空間解析度的「2D-RIXS顯微鏡」概念圖（供圖：QST，來源：Yamamoto, K., Suzuki, H. & Miyawaki, J. (2026). J. Synchrotron Rad. 33.）
山本研究員表示：「為了能夠以高精度計算位置資訊，我們反復多次試錯，才得以實現。」
對在矽基板上用鎳薄膜製成NanoTerasu表徵圖微細圖案，採用僅提取鎳3d電子相關資訊的X射線能量條件進行測量後，證實了能夠以1微米的分辨率進行高精度成像。
該新技術可通過NanoTerasu的共享實驗制度進行使用。由於能夠以前所未有的高精度測量多種元激發（電子的電荷、軌道、晶格、自旋），將來有望為下一代器件的開發做出貢獻。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of Synchrotron Radiation
論文：2D-RIXS: Resonant inelastic x-ray scattering microscopy with high energy and spatial resolutions
DOI：doi.org/10.1107/S1600577526000573
