電子は直接見えないのが従来の常識だったが、その振る舞いを日本のグループが世界で初めて直接捉えた。帯電したマウスの坐骨神経の近傍で電子が次第に蓄積する様子を電子線ホログラフィーで電場の乱れとして検出し、その電子集団の移動を可視化することに、東北大学多元物質科学研究所の進藤大輔教授と赤瀬善太郎助教、理化学研究所の会沢真二テクニカルスタッフらが成功した。

「理論で『場が大切だ』と説いたアインシュタインにこそ、このデータを見せたかった」と進藤教授は観察の科学史的な意義を語る。新しい研究分野を開拓し、身の回りのさまざまな電気現象の解明に道を開く大きな成果として注目される。5月12日付の米科学誌 Microscopy and Microanalysis オンライン版に発表した。8月に米国で開かれる顕微鏡国際会議の招待講演でも報告する。

現代の生活は、電子のさまざまな動きや流れを利用している。電子なしに現代社会は成り立たないが、多様な電子の振る舞いは光や音、熱などの発生で間接的に把握しているだけで、直接は見えていない。この壁を破るため、研究グループは、電子の波動性を利用した大型電子顕微鏡の電子線ホログラフィーを使い、電子の動きの可視化を目指した。今回、複雑な生体試料の帯電効果を利用して、電場の乱れを通して、電子が次第に蓄積し、集団的に運動する様子を初めて捉えた。

※記事の一部を引用しました。全文及び参考画像等は下記リンク先で御覧ください。
SciencePortal 掲載日：2014年5月14日
http://scienceportal.jp/news/newsflash_review/newsflash/2014/05/20140514_03.html

東北大学 プレスリリース 2014年5月13日 11:00
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2014/05/press20140513-01.html
詳細(PDF注意)
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press_20140513_01.pdf

1934年、物理学者のグレゴリー・ブライトとジョン・ホイーラーは、2つの光子を衝突させることによって
電子と陽電子を1個ずつ生成できることを理論的に予言した。この理論は物理学者たちの間で正しいと認められたが、実際に光（光子）を物質（電子と陽電子）に変えるには超高エネルギーの粒子が必要となるため、ブライト-ホイーラー理論を実験的に確かめることは不可能であると考えられてきた。

しかし今回、インペリアル・カレッジ・ロンドン（ICL）の研究チームは、既存の技術を使って実際にこのプロセスを実証できる方法があることを発見した。

実験方法は大きく2つの段階に分かれる。
第1段階では、極めて高強度のレーザーを使って、電子を光速近くまで加速する。
この電子を金の平板に打ち込むことで、可視光の10億倍のエネルギーレベルを持つ光子ビームを生成する。

第2段階では、金で作られた微小な空洞を利用する。空洞の内部表面に高エネルギーレーザーを打ち込むことで、光を発する熱放射場を生成する。これは恒星が光を放射するのと似ている。
この状態で、第1段階で生成した光子ビームを空洞の中心に向けて照射すると、2つの光源からの光子が衝突し、電子と陽電子が生成される。生成した電子と陽電子が空洞を出ていくところを検出する。

この実験方法は、核融合分野の研究手法をブライト-ホイーラー理論に応用するもの。
マックス・プランク研究所の核物理学者がICLを訪れた際のディスカッションがきっかけとなり見つかったという。

実験で再現されるのは、宇宙の始まりの最初の100秒における重要なプロセスであるという。このプロセスは、宇宙における最大規模の爆発であり物理学上の最大の謎の1つでもあるガンマ線バーストでも見られるものである。

光と物質との相互作用に関しては、アインシュタインの光電効果（1887年）やディラックの対消滅（1934年）など、これまで6つの発見に対してノーベル賞が与えられている。ブライト-ホイーラー理論が実証されれば、光と物質の相互作用を説明する7番目の発見になるといわれている。

ICLのプレスリリース（超訳：野良ハムスター★）
http://www3.imperial.ac.uk/newsandeventspggrp/imperialcollege/newssummary/news_16-5-2014-15-32-44
論文 "A photon-photon collider in a vacuum hohlraum"
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2014.95.html

　日産自動車は１３日、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＶ）などに用いるリチウムイオンバッテリーを充・放電する際の電子の動きを直接観測し、定量化できる分析手法を世界で初めて開発したと発表した。電池内部での電子の動きを正確に把握できることで、より高容量、長寿命のバッテリーを開発することが可能になるという。

　日産の全額出資子会社「日産アーク」が、東京大学、京都大学、大阪府立大学と共同で開発した。

　物質に強度のＸ線を照射する従来の分析手法を工夫したほか、新たにスーパーコンピューターを用いた高度な計算を組み合わせ、これまで間接的に推測することしかできなかった電子の移動量を、高い精度で把握できるようになった。

　日産の浅見孝雄常務執行役員（日産アーク社長）は「この手法を研究開発に適用することで、（ＥＶなど）ゼロエミッション車のさらなる航続距離拡大に貢献できる」と話している。

産経新聞 3/13
http://www.sankeibiz.jp/business/news/140313/bsa1403132237006-n1.htm

プレスリリース
http://www.nissan-global.com/JP/NEWS/2014/_STORY/140313-01-j.html

東工大、半導体中を秒速8万mで動きまわる電子を撮影

東京工業大学(東工大)は2月27日、半導体中を秒速8万mで流れる電子を直接観察し、動画撮影することに成功したと発表した。

同成果は、同大大学院 理工学研究科の福本恵紀産学官連携研究員、恩田健流動研究員、腰原伸也教授らによるもの。詳細は、「Applied Physics Letters」オンライン版に掲載された。

半導体材料を利用しているデバイスの動作性能は、半導体中を動き回る電荷キャリア(電子と正孔)の動きやすさに依存している。半導体素子は微小化、高速化し続けているが、その特性を、直接素子内部を動く電流、特に電子を観測することにより、評価する手法は存在しなかった。そこで、研究グループでは、ガリウムヒ素半導体中の20nmスケールの空間領域を移動するキャリアの流れを200fs間隔で可視化できる時間分解光電子顕微鏡を開発した。

高速動作する半導体デバイス内での電子の流れ(電流)を検出するには、100fs程度の極短時間幅のパルス電流を生成、注入して、とらえる必要がある。今回の研究では、約100fs幅のレーザパルスを半導体に照射して、光キャリアを生成した。

これを図1(a)のように、半導体表面に蒸着した2枚の金属電極間に電圧を印加することで動かした。その動く様子を別のレーザパルス(検出光)を半導体試料に照射し、励起電子の密度に由来する光電子放出強度を光電子顕微鏡で撮影した。励起光と検出光の時間的タイミングを変化させていくことで(ポンプ-プローブ法)、電子の移動過程が動画としてストロボ撮影できる。

http://news.mynavi.jp/news/2014/02/28/247/images/001l.jpg
図1 時間分解光電子顕微鏡による電子移動の動画撮影。(a)測定手法の概略。(b)と(c)励起光照射後20psおよび40ps後の光電子顕微鏡像。(d)と(e)は(b)と(c)の中央付近の拡大図。(f)は(d)と(e)の縦方向の強度プロファイルにより、電子の移動が確認できる

（続く）