最先端の高周波加速器技術を利用し、時間分解能と空間分解能を併せ持つ「超高速電子回折装置と「超高圧パルス電子顕微鏡」を世界に先駆けて開発、実用化を目指しています。
We aim to develop an innovative relativistic ultrafast electron diffraction and microscope (UED and UEM) with an ultimate temporal-spatial resolution using an advanced radio frequency accelerator technology.
研究概要：フェムト秒時間領域での原子や分子レベルの超高速構造ダイナミクスの観察は、物質科学研究者の長年の夢であり、新しい物質の創製・機能の発見に重要な役割を果たす。本研究では、最先端の高周波加速器技術を利用したフェムト秒時間分解「超高速電子回折装置」と「超高圧パルス電子顕微鏡」を開発し、実用化を目指している。それらを用いて、光励起で発生する超高速構造相転移過程や新規秩序形成過程、分子化学反応、生体物質構造変化などの素過程をフェムト秒時間分解・原子レベルで直接的に測定し、構造ダイナミクスを明らかにすると共に、物質科学の新展開を切り拓く。
Project description: Femtosecond atomic-scale imaging is a most challenging subject in materials science and has long been a cherished dream tool for scientists wishing to study ultrafast structural dynamics. In this research, we aim to develop an innovative relativistic ultrafast electron diffraction and microscope (UED and UEM) with an ultimate temporal-spatial resolution of 100 femtoseconds(fs) and 1 angstrom (Å) using an advanced radio frequency accelerator technology. With our UED and UEM, the photo-induced ultrafast phase transitions, chemical reactions of molecules, and structural dynamics in biomaterials are investigated in real time and on atomic scales. The project is encouraged to achieve a novel breakthrough in materials science.
超高圧フェムト秒パルス電子顕微鏡：最先端のフォトカソード高周波（RF）電子銃を用いて高品質・高輝度フェムト秒電子線パルスを発生し、時間的に100フェムト秒（fs）、空間的に1オングストローム（Å）の分解能を有する「超高圧パルス電子顕微鏡」を世界に先駆けて開発している。それを用いて、超高速で変化する物質の構造をフェムト秒時間分解・原子レベルで検出し、追跡する。
Relativistic UEM: An innovative relativistic UEM with an ultimate temporal-spatial resolution of 100 fs and 1 Å is developed using the radio-frequency (RF) electron gun. Our UEM paves the way for progress in UEM research and allows us to observe the atomic or molecular movement in the outer-most time region of atomic vibration and to achieve a novel breakthrough in materials science.
フェムト秒時間分解電子回折装置：電子線は、X線に比べて大きな弾性散乱断面積を有し、検出効率の大幅な増大と非弾性散乱による照射効果の低減が可能であり、収束しやすい為局所構造情報が得られる等の特徴がある。時間分解電子回折法が広い学問分野で大きな注目を集めている。我々は、相対論的フェムト秒電子線パルスを用いて、シングルショット測定可能な、世界最高の100fsの時間分解能を有する「超高速電子回折装置」を開発し、フェムト秒時間領域での光誘起構造相転移現象の観測に成功した。
Relativistic UED: A relativistic femtosecond electron diffractometer with temporal resolution of 100 fs has been developed and succeeded to observe the ultrafast electronically driven phase transition in single crystalline gold and silicon films. The single shot electron diffraction imaging with relativistic femtosecond electron pulse is available for observing the irreversible processes, i.e., crystal-amorphous phase transition, melting dynamics, and so on.
超高速構造ダイナミクスの研究：現在の物質科学研究においては、物質の構造は安定した物質のみだけでなく、超高速で変化する物質の構造、つまり、時々刻々と構造が変化する物質についても、各時間での構造が決定可能になりつつある。この新しい手法により、物質科学が大きく革新されようとしている。左図は、シングルショットフェムト秒時間分解電子回折測定による金単結晶試料のレーザー誘起超高速固液相転移現象の観察結果を示す。これはレーザー光を吸った金の単結晶の結晶構造が失われていく様を、１パルスの電子ビームでその構造のスナップショットを撮ったものである。
Ultrafast structural dynamics: Femtosecond atomic-scale imaging is a most challenging subject in materials science and has long been a cherished dream tool for scientists wishing to study ultrafast structural dynamics. The left figure shows the ultrafast laser-excited melting dynamics in single-crystal gold films observed by femtosecond time-resolved electron diffraction with single-shot [Appl. Phys. Lett. 103, 253107(2013)].
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