概要

  東京科学大学（Science Tokyo） 総合研究院 ゼロカーボンエネルギー研究所の近藤正聡准教授らと、日本原子力研究開発機構（JAEA）J-PARCセンターの斎藤滋研究副主幹らの研究グループは、加速器駆動型未臨界炉（ADS、用語1）の核破砕ターゲット（用語2）を模擬した液体鉛ビスマス共晶合金（LBE、用語3）の流動環境下において、FeCrAl合金（用語4）が極めて高い耐食性と自己修復機能を有することを実証しました。
  ADSは、高レベル放射性廃棄物（用語5）をエネルギーとして安全に有効利用することで、環境負荷の低減と持続可能なエネルギー利用の両立を達成できる革新的原子力技術として注目されています。しかし、ADSのターゲットとして用いられる液体LBEは構造材料を腐食させるため、ADSの実用化に向けては、高温・高流速条件下での構造材料の信頼性を高めることが求められています。
  今回の研究では、ADSの候補構造材料であるFeCrAl合金に対して、実機条件に極めて近い温度勾配と流動条件を再現した、最大4000時間にわたる長期連続腐食試験を実施しました。この試験には、JAEA 原子力科学研究所に設置された大型の非等温型高温液体金属流動ループ「OLLOCHI（オロチ）」を用いました。723 K（約450℃）の流動LBE中で2000時間にわたる腐食試験の結果、FeCrAl合金表面に形成される多層酸化被膜が腐食を効果的に抑制することを確認しました。さらにこの多層酸化被膜には、一部を人工的に破壊されても、その後の流動LBE中での追加2000時間の浸漬により、自発的に再形成される自己修復機構があることを発見しました。
  本成果は、長期的な管理が必要な放射性廃棄物の減容・有害度低減と、ゼロカーボン電力の供給を同時に実現するADSの実用化に向けて、構造材料の信頼性を飛躍的に向上させるものと期待されます。
  本研究成果は、Elsevierの学術誌「Corrosion Science」オンライン版に、2026年1月21日付で掲載されました。

背景

  2050年までのカーボンニュートラル社会の実現に向けて、二酸化炭素を排出しない原子力発電への注目が高まっています。中国やインドなどでは、急増するエネルギー需要を満たすために、大量の電力を安定して供給できる原子力発電所の新設・増設計画が進められています。アメリカでもおよそ35年ぶりに新設の原子力発電所が稼働しました。
  加速器駆動型未臨界炉（ADS）は、世界的に増え続ける高レベル放射性廃棄物をエネルギーとして有効利用しながら、安定的にゼロカーボン電力を供給する革新的原子力技術です。図1にADSの概要を示します。高強度陽子加速器を用いて加速した陽子を液体鉛ビスマス共晶合金（LBE）に照射し、液体LBEの核破砕反応を発生させます。この時に発生した中性子を使用しながら、燃料炉心を未臨界状態で運転することで高い安全性を維持しながら、原子力のゴミである長寿命核種を短寿命核種へと核変換することにより、高レベル放射性廃棄物の長期的な管理負担を軽減することができます。これにより、環境負荷の低減と持続可能なエネルギー利用の両立を達成することができると期待されています。
  しかし、ADSで核破砕ターゲットとして使われる液体LBEは優れた特性を有する一方で、構造材料を腐食しやすいという問題があります。そのため、ADSの実用化に向けては、高温・高流速条件下での構造材料の信頼性を高め、エネルギーシステムとしての工学的な基盤を強化することが求められています。

図1 液体LBEターゲット式の加速器駆動型未臨界炉 (ADS) の概要

研究成果

  本研究では、ADSの候補構造材料であるFeCrAl合金を対象として、流動LBE環境中において2000時間から最大4000時間にわたる腐食試験を実施しました。本試験は、JAEA 原子力科学研究所に設置された大型の非等温型高温液体金属流動ループ「OLLOCHI（オロチ）」（図2）を用いて行いました。この装置は、複数の試験部と、1本の主配管から構成されており、試験部を「頭」、熱応力緩和のために複雑に屈曲した主配管を「胴体」に見立てると、神話に登場する八岐大蛇（やまたのおろち）に似ていることから「OLLOCHI」と名付けられました。なお、OLLOCHIは、Oxygen-controlled LBE LOop for Corrosion tests in HIgh-temperatureのバクロニムです。

図2 JAEA原子力科学研究所に設置された大型の非等温型高温液体金属流動ループ「OLLOCHI（オロチ）」（a）装置全体、（b）ループ装置内の機器レイアウト

  FeCrAl合金の腐食試験では、表面を研磨した試験片と、事前の酸化処理によって、優れた保護性を有するα-Al₂O₃被膜を形成した試験片を試験部に装荷し、2000時間浸漬しました。図3は、透過型電子顕微鏡（STEM）を用いて浸漬後試験片の表層断面組織をナノメートル（用語6）オーダーで観察し、得られた高角度環状暗視野像（HAADF像）を白黒（グレースケール）で表示しており、原子番号の大きい元素ほど明るく映ります。一方、同じ領域についてエネルギー分散型X線分光法（EDX）により分析して得られた各元素の分布をそれぞれ色で示して重ね合わせた画像として示しています。表面を研磨したままで浸漬した試験片の表層断面の分析結果を図3（a）に示しています。解析の結果、向かって左側の最表面にはCrおよびFeに富む酸化被膜が形成され、その直下にAlに富む酸化被膜が連続的に形成されていることが確認されました。このような多層構造の保護性酸化被膜が自己形成されることにより、材料中の金属成分が流動LBE中へ溶け出すことや、PbおよびBiの組織内部への侵入が実質的に抑制されていることが明らかになりました。
  一方で、事前にα-Al₂O₃被膜を形成した試験片でも、同様の腐食抑制効果が示されました（図3（b））。試験片表面のα-A₂O₃被膜は、酸素や金属成分の移動を遮る高いバリア性を持ち、母材と流動LBEとの直接接触を遮断します。この働きにより、FeやCrの新たな酸化反応が起こりにくくなり、余分な酸化の進行が抑えられることで、界面の化学的安定性が長時間にわたり維持されます。さらに、この酸化被膜が流動LBE環境下においても優れた密着性を保ち続けることを、マイクロスクラッチ試験（用語7）によって実証しました。

図3 流動LBEに2000時間浸漬したFeCrAl合金の表層断面STEM／EDX分析の結果、（a）表面研磨したままで浸漬した場合、（b）酸化処理により表面にα-Al₂O₃被膜を形成してから浸漬した場合。

  次に、FeCrAl合金が流動LBE環境下で自己形成した、多層構造の保護性酸化被膜の一部を人工的に剥離させてから、その試験片を流動LBE中にさらに2000時間浸漬する試験を行いました。その結果、試験片の剥離部は腐食することなく、保護性酸化被膜を速やかに再形成する挙動が見られました（図4）。

  図4　酸化被膜の一部を剥離してから流動LBEに2000時間浸漬したFeCrAl合金の表層断面STEM/EDX分析結果、（a）浸漬後のFeCrAl 合金の表層断面組織、（b）剥離部と非剥離部の境界、（c）追加浸漬によって剥離部に形成した酸化被膜の断面組織、（d）非剥離部の追加浸漬後の表層断面組織。

社会的インパクト

  本成果は、高レベル放射性廃棄物の減容・無害化を目指すADS技術や、次世代原子炉における高安全・長寿命化設計の実現に向けて、構造材料の信頼性を大きく高める基盤技術として位置づけられます。特に、2022年から4年間にわたって進めてきたJAEAとの共同研究により、実機スケールの大型試験施設を用いて、ADSを模擬した苛酷な流動LBE環境下での長期耐食性を自己修復機能も含めて実証できた点は、工学と材料化学のどちらから見ても、独創性と新規性が極めて高いと言えます。また、ゼロカーボン電源としての革新的なADSシステムの実現に向けた重要な材料基盤技術としても位置づけられます。

今後の展開

  今後は、高温・高流速条件下における試験片レベルの健全性評価にとどまらず、発熱体炉心、ポンプ、熱交換器などの炉内機器の構成と機能を意識した、機能評価型の長期試験を実施していきます。これにより、炉内機器としての機能を総合的に検証しつつ、実運転条件を反映した材料設計指針や、信頼性に基づく寿命予測モデルの確立を目指し、ADS実現に向けた工学的基盤の強化に貢献します。

付記

  本研究の一部は、文部科学省 マテリアル先端リサーチインフラ（ARIM：Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan）（課題番号：JPMXP1224HK0019）および科学技術振興機構（JST）次世代研究者挑戦的研究プログラム（SPRING）（助成番号：JPMJSP2106）の支援を受けて実施されました。

用語説明

論文情報

研究者プロフィール

お問い合わせ先

概要

  東北大学金属材料研究所 梅本 好日古 博士研究員（現 オークリッジ国立研究所 博士研究員）、総合科学研究機構（CROSS）中性子科学センター研究開発部 大石 一城 次長、河村 幸彦 技師、東京理科大学理学部第一部応用化学科 五十嵐 大輔 プロジェクト研究員、中本 康介 助教、駒場 慎一 教授、横浜国立大学大学院工学研究院 多々良 涼一 准教授、東京科学大学（Science Tokyo）総合研究院化学生命科学研究所 LIN Che-an 研究員、館山 佳尚 教授、日本原子力研究開発機構J-PARCセンター 廣井 孝介 研究副主幹、高田 慎一 研究副主幹、及び京都大学複合原子力科学研究所 南部 雄亮 特定教授の研究グループは、中性子を用いて、次世代の蓄電デバイスとして期待されるナトリウムイオン電池の負極材料「ハードカーボン（※1）」において、ナトリウムが負極に挿入されるプロセスを世界で初めてリアルタイムかつマルチスケールでの観測に成功しました。
  本研究では、大強度陽子加速器施設（J-PARC）物質・生命科学実験施設（MLF）（※2）に設置された中性子小角・広角散乱装置「大観」（※3）を用い、電池を充放電させながら内部を観察する「オペランド測定」を実施しました。その結果、ナトリウムが炭素の「表面や欠陥部分」、「層間」や「ナノサイズの隙間」へ順番に挿入されていく3段階のメカニズムを特定することに成功しました。この成果は、資源制約のないナトリウムを用いた安価で高性能な次世代電池の開発に大きく貢献するものです。
  この研究成果は、英国王立化学会が出版するChemical Scienceに2026年2月25日にオンライン掲載されました。

背景

  現在、スマートフォンや電気自動車に欠かせないリチウムイオン電池ですが、原料となるリチウムの資源量には限りがあり、価格の高騰や供給不安が課題となっています。これに対し、ナトリウムは海水などから豊富に得られるため、低コストで持続可能なナトリウムイオン電池（NIB）が次世代の主役として注目されています。 NIBの負極には「ハードカーボン（難黒鉛化性炭素）」という材料が主に使われますが、この材料は構造が非常に複雑です。ナトリウムがその内部の「どこに」「どのような順番で」貯蔵されるのかというメカニズムについては、世界中の研究者の間で長年議論が続いており、その決定的な証拠が求められていました。

研究内容と成果

  研究グループは、目に見えないほど小さな原子レベルの形を捉えることができる「中性子」の性質を利用しました。図1に示すように、測定に使用した中性子小角・広角散乱装置「大観」は、100ナノメートル（1万分の1ミリ）規模の構造を見る「中性子小角散乱」と、オングストローム（1000万分の1ミリ）規模の構造を見る「中性子広角散乱」を同時に行うことができる装置です。この「大観」で、広範囲にわたるマルチスケールな観察を実現しました。
  解析の結果、ハードカーボンへのナトリウム挿入は、図2及び以下に示すような3つのステップで進行することが明らかになりました：

図1 中性子小角・広角散乱装置「大観」の外観と「大観」で観測されるマルチスケールの様子。

図2 （上）ハードカーボンの模式図（炭素の層がランダムに凝集・積層）と（下）3つのステップでナトリウムイオンが挿入されていく様子。

本研究の意義、今後への期待

  本研究は、長年の謎であったハードカーボンへのナトリウム挿入プロセスを、マルチスケールな観測によって明確に示した画期的な成果です。本成果により、以下の展開が期待されます。

研究支援

  本研究はJST GteX JPMJGX23S4、JSPS科研費23H01693, 23K26386, 24H00042, 22H05145, 24K00572, 25K01489、JSPS Core-to-Core Program JPJSCCB20240005、JST NEXUS-Ytec Y2024L0906032、JST FOREST JPMJFR202Vの助成を受けたものです。

論文情報

著者の貢献

研究構想：大石 一城、五十嵐 大輔、多々良 涼一、館山 佳尚、駒場 慎一
実験：梅本 好日古、大石 一城、五十嵐 大輔、多々良 涼一、LIN Che-an、中本 康介、河村 幸彦、廣井 孝介、高田 慎一
研究統括：大石 一城、南部 雄亮、館山 佳尚、駒場 慎一
論文執筆・校閲：梅本 好日古、大石 一城、五十嵐 大輔、LIN Che-an、南部 雄亮、館山佳尚、駒場 慎一

本件問い合わせ先

用語解説

概要

  東京科学大学（Science Tokyo） 理学院 化学系の八島正知教授、梅田健成大学院生（研究当時修士課程2年次）、齊藤馨助教からなる研究グループは、中低温（200～400℃）で世界最高（2026年1月時点）のプロトン（H⁺、水素イオン）伝導度（用語1）と高い化学的安定性を併せ持つ新しいセラミック材料BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8（用語2）を発見しました（図1）。
  本材料は、193℃で実用化の目安となる 10^-2 S cm^-1、330℃で 0.10 S cm^-1という、従来材料を大きく上回る極めて高いプロトン伝導度「超プロトン伝導（用語3）」を示します（単位ジーメンスSは抵抗オームΩの逆数）。さらに、CO₂、O₂、H₂雰囲気下などの実用環境でも安定に動作することを確認しました。
  研究グループは、従来ほとんど試みられなかった「ドナー（用語4）元素を2種類同時に添加する共添加戦略」を、大量の酸素欠損を持つペロブスカイト型酸化物（用語5）BaScO_2.5に適用しました。その結果、大量の酸素空孔を完全に水和させることに成功し、高いプロトン濃度と高い拡散係数を両立させることができました。さらに、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の本田孝志助教との共同研究による中性子回折実験（用語6）と理論計算から、従来のアクセプター（用語7）を添加した材料で問題となっていたプロトンの捕捉（トラップ）や活性化エネルギーの増大が抑制されていることを解明しました。また、4価よりも価数が高い6価のドーパント（添加剤、不純物）を添加することにより、プロトン濃度を増やし過ぎないことで、活性化エネルギーを低くできたことも解明しました。このため、本材料は中低温でも高速にプロトンが移動でき、極めて高い伝導度を示します。本成果は、低温で高効率に動作する次世代燃料電池（プロトンセラミック燃料電池：PCFC）や水蒸気電解セル（PCEC）の実用化に向けた重要な材料設計指針を提示するものです。
  本研究成果は、2026年1月19日（現地時間）に国際学術誌「Angewandte Chemie International Edition」電子版に掲載されました。

図1. 本研究では、BaScO_2.5にMo/Wをドナー共添加することで創製したBaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8が、193℃において 10^-2 S cm^-1に達する超プロトン伝導度を示すことを報告する（左図の赤い丸と線）。アクセプター共添加したBZCYYbよりBaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8のプロトン伝導度は高い。高いプロトン伝導度は、高いプロトン濃度およびプロトン移動経路（右図赤矢印）の形成による高いプロトン拡散係数に起因する。©著者ら（2026）

背景

  炭素循環型社会の実現に向け、水素をエネルギー媒体として活用する「水素エネルギー社会」への期待が高まっています。その中核技術の一つが、水素と電気を高効率に相互変換できるエネルギー変換デバイスです。中でも固体酸化物セルは、燃料電池として水素から電気を取り出すだけでなく、電気分解セルとして電気エネルギーを用いて水素を製造できる可逆作動セルとして注目されています。
  特に、200～400℃の中低温で作動するプロトンセラミック燃料電池（PCFC）やプロトンセラミック電解セル（PCEC）は、従来の高温型固体酸化物セルよりも短時間で起動ができ、材料劣化が少ない次世代技術として期待されています。これらのPCFCやPCECの実現には、中低温で高いプロトン伝導度と優れた化学的安定性を両立する材料が不可欠です。しかし、これまでその性能を両立する材料は見出されてきませんでした。例えば、高分子材料や塩類は低温では高いプロトン伝導度を示しますが、中低温では化学的に不安定になります。一方、酸化物セラミックスは高い化学的安定性を持つものの、同じ温度域でのプロトン伝導度は低いという課題がありました。このように、「高伝導度」と「高安定性」を同時に満たす材料が存在しない温度領域は、研究者の間で「ノルビーギャップ（Norby gap）」と呼ばれ、長年にわたり未解決の課題とされてきました。
  材料開発に目を向けると、BaZrO₃系などのアクセプター元素を添加した材料がプロトン伝導体研究の主流となってきました。しかし、これらの材料では、添加元素であるアクセプターがプロトンを引き寄せてしまう「プロトントラップ」が生じやすく、プロトンの移動が阻害されるという根本的な問題があります（図2a）。特に、複数のアクセプター元素を同時に添加する共添加材料では、このトラップ効果がさらに強まり、中低温での高伝導化に向けた大きな壁となっていました（図2b）。
  これに対し近年、八島教授と齋藤助教の研究グループは、酸素欠損を元々含むBaScO_2.5に対して、アクセプターではなくドナーを添加する戦略を提案してきました。具体的には、モリブデン（Mo）やタングステン（W）といった高原子価のドナーを添加したBaScO_2.5系材料の開発に成功しています［参考文献1、2］。ドナーはプロトンと静電的に反発するため、プロトントラップが起こりにくく、結晶構造の安定化と高いプロトン伝導を同時に実現できます（図2c）。実際に、Mo単独添加やW単独添加材料では、「ノルビーギャップ」領域で顕著なプロトン伝導が報告されています。
  しかし、複数のドナー元素を同時に添加する「ドナー共添加」によるプロトン伝導体は、これまで報告されていませんでした（図2d）。本研究は、この未踏領域に挑戦し、MoとWの2種類のドナー元素を同時に添加することで、従来の材料のプロトン伝導度を大きく上回る超プロトン伝導を示す新材料の創出に成功しました。

図2. プロトン伝導体におけるプロトンのエネルギー（Energy）の模式図。アクセプターを添加した材料（a）と（b）ではプロトンがアクセプターに引き寄せられ移動が阻害される。
（a）1種類のアクセプターを添加した材料。（b）2種類のアクセプターを添加した材料。（c）1種類のドナーを添加した材料。（d）2種類のドナーを添加した材料。
（a）～（d）の上部はプロトンの局所エネルギー図を示し、下部はプロトンの巨視的エネルギーを反応座標（Reaction coordinate）に対して示している。黄色の円はプロトンを表す。E_mは、会合のない状態でのプロトン移動に対する固有（トラップフリー）エネルギー障壁を表す。E_asは、プロトンとアクセプター元素との間の巨視的会合エネルギーである。アクセプター共添加では、構造不規則性の増大により、より大きなトラップエネルギー |ε_as| を持つ局所的により深いトラップサイトが形成されるため（（b）上部のーε_as）、単一のアクセプターを添加した場合（a）に比べて | E_as | が大きい（（b）下部のーE_as）。これに対し、ドナー共添加では、ドナー添加元素周辺の不規則性の増大が、プロトンが移動するScO₆八面体ネットワークに及ぼす影響が小さいため、| E_as | は有意に増加しない。©著者ら（2026）

研究成果

  本研究では、酸素欠損を有するペロブスカイト型酸化物BaScO_2.5に対して、モリブデン（Mo）およびタングステン（W）の2種類の6価のドナー元素を同時に添加する新しい材料設計（ドナー共添加）を適用し、これまでに例のない極めて高いプロトン伝導度を示すセラミック材料群BaSc_1−x−yMo_xWyO_3−δを創製しました。8種類の組成について詳細に調査した結果、BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8が全ての既存のセラミックプロトン伝導体を上回るプロトン伝導度を示すことを明らかにしました。BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8のプロトン伝導度は湿潤雰囲気中において、193℃で実用化の目安となる 0.01 S cm^-1、315℃で 0.1 S cm^-1に達し、200～400℃の中低温、いわゆる「ノルビーギャップ」において高いプロトン伝導を実現しました。この伝導度は、従来の代表的なプロトン伝導体であるBaCeO₃系やBaZrO₃系材料の数値を大きく上回り、例えば 220℃におけるBaCe_0.9Y_0.1O_2.95の約190倍、BaZr_0.8Y_0.2O_2.9の約24倍に相当します。また、これまで報告されてきたMo単独添加やW単独添加材料よりも高い伝導度を示し、MoとWを同時に添加することがプロトン伝導度を飛躍的に高めることを実証しました。

図3. BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8の高い伝導度（左図の赤色の丸と線）は、本研究で調べたBaSc_1−x−yMo_XW_yO_3−δの中で最も高い伝導度を示す（右図の黒丸。右図ではBaSc_1−x−yMo_xWyO_3−δのMo濃度xを横軸、W濃度yを縦軸で表した化学組成における伝導度をカラーで示している。赤い部分が最も伝導度が高い）。左図のデータの詳細は次の通り。本研究のデータ：BaSc_0.82Mo_0.09W_0.09O_2.77（青色）、BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8（赤色）、BaSc_0.78Mo_0.11W_0.11O_2.83（オレンジ色）、BaSc_0.75W_0.25O_2.875（濃い緑色）、BaSc_0.8W_0.2O_2.8（紫色）、BaSc_0.8Mo_0.05W_0.15O_2.8（水色）、BaSc_0.8Mo_0.09W_0.11O_2.8（ピンク色）、BaSc_0.8Mo_0.11W_0.09O_2.8（茶色）、BaSc_0.8Mo_0.15W_0.05O_2.8（薄緑色）。文献のデータ（詳細は原著論文を参照）：BaSc_0.8Mo_0.2O_2.8（黒色線）、BaSc_0.775Mo_0.225O_2.8375（灰色）、 BaSc_0.75Mo_0.25O_2.875（黄色）、BaCe_0.9Y_0.1O_2.95（ピンク色の破線）、BaZr_0.8Y_0.2O2.9（黒色の破線）。©著者ら（2026）

  本研究ではまた、伝導度の同位体交換実験（H/D 交換）、伝導度の酸素分圧依存性測定、湿潤・乾燥雰囲気下でのインピーダンス測定から、BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8における電気伝導は電子伝導ではなくプロトン伝導であることを確認しました。また、CO₂、H₂、O₂雰囲気中での熱処理後もBaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8のペロブスカイト相に変化は見られず、優れた化学的安定性を併せ持つことが示されました。
  高いプロトン伝導の起源について詳細に解析した結果、BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8は、
  ① 大量の酸素空孔（δ = 0.2）を有すること
  ② 水と反応して完全に水和し、非常に高いプロトン濃度zを実現していること（BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8−z/2(OD)_zにおいてz = 0.4）
  ③ プロトンが三次元的に移動でき、プロトントラップが抑制され、高速拡散経路が形成されていること
  といった要因が相乗的に働いていることが分かりました。
  中性子回折データを用いた結晶構造解析および第一原理分子動力学計算（用語8）から、プロトンは MoO₆やWO₆八面体を避け、ScO₆八面体のネットワークに沿って移動することが明らかとなりました（図4）。Scの占有率が高いことで、このネットワークが連結し、高いプロトン拡散係数を生み出しています。さらに、ドナー共添加では、従来のアクセプター共添加で問題となっていた活性化エネルギーの増大（プロトントラップ）が生じず、低い活性化エネルギーを維持できることも示されました。

図4.（a）BaSc_0.8Mo_0.1W_0.1O_2.8の中性子回折データのリートベルト解析（用語9）図形、（b）精密化した結晶構造。（c）結合原子価法（用語10）で調べたプロトンのエネルギー図において青いエネルギー等値面が3次元に連結しており、3次元のプロトン拡散経路が分かる。（d）第一原理分子動力学計算で得たプロトンの分布図。プロトンがMoとWにトラップされず、Scに近接した酸素原子の間をホッピングして移動することが分かる。©著者ら（2026）

  また、プロトンの拡散係数を、プロトン伝導度とプロトン濃度から計算しました（図5a）。その結果、ドナーの価数が高いほど拡散係数が低温側で高い傾向を示すことが分かりました（図5a）。その原因はドナーの価数が高いほど活性化エネルギーが低くなる傾向（図5b）にあると考えられます。ドナーの価数が増大すると、酸素空孔量が減少し、プロトン濃度が低くなる傾向があります。プロトン濃度が高くなるにつれて拡散係数が高くなるため（図5c）、ドナーの価数の増加とともに拡散係数の活性化エネルギーが低下するので、低温で拡散係数が高くなり、プロトン伝導度が高くなると考えられます。そのため本研究で用いた6価のドナーを添加した材料は、4価のドナーを添加した材料より伝導度が高いと考えられます。

図5.（a）種々のドナーを添加した拡散係数の温度（Temperature, Tは絶対温度の逆数）依存性。（b）ドーパントの酸化数（Oxidation number, 価数）nに対する拡散係数の活性化エネルギーE_aのプロット。（c）プロトン濃度z （Proton concentration）に対する拡散係数の活性化エネルギーE_aのプロット。赤い線と丸はn = 6、青い線と丸はn = 5、黄緑色の線と丸はn = 4。

  これらの結果から、2種類の6価のドナーを共添加するという新しい材料設計戦略が、中低温で高いプロトン伝導と化学的安定性を両立させる極めて有効な方法であることが実証されました。本成果は、次世代のPCFCとPCECの高性能化・低温作動化に向けた重要な基盤技術となることが期待されます。

社会的インパクト

  本研究で発見されたプロトン伝導体は、中低温における高いプロトン伝導度と化学的安定性を持つため、燃料電池や水蒸気電解セルの低温・高効率動作を可能にし、水素エネルギー利用の大きな障壁を取り除くと期待されます。中低温で作動することで、装置の耐久性向上や起動時間短縮、コスト低減が期待されます。これにより、水素製造・貯蔵・利用を一体化した分散型エネルギーシステムの実現が現実味を帯びてきます。また、CO₂に対して高い安定性を示すことから、実環境下での長期運用にも適しています。

今後の展開

  今後は、本材料を電解質として用いたPCFCおよびPCECの試作・性能評価を進めるとともに、電極材料との界面設計や薄膜化技術を最適化することで、さらなる低温化と高出力化を目指します。また、ドナー共添加という設計指針を他の酸化物材料へ展開し、新規高性能プロトン伝導体の創出を図ります。長期耐久試験やスケールアップ研究を通じて実用環境での信頼性検証を進め、将来的には、水素社会を支える中核材料として産業界との連携による社会実装・展開も期待されます。

付記

  本研究の一部は、JSPS科学研究費助成事業 基盤研究（S）（JP24H00041）、JSPS科学研究費助成事業挑戦的研究（開拓）（JP21K18182、JP25K21695）、ブレークスルーエネルギー財団、ASPIRE先端国際共同研究推進事業（JPMJAP2308）、JST研究成果展開事業研究成果最適展開支援プログラム A-STEP 産学共同（JPMJTR22TC）、大倉和親記念財団、フソウ技術開発振興基金、前川報恩会、徳山科学技術振興財団、泉科学技術振興財団等の助成を受けて行われました。中性子回折実験は大強度陽子加速器施設 物質・生命科学実験施設BL21NOVA（課題番号：2020L0804、2020L0802、2020L0801、2024A0718、2024B0199）により実施しました。

参考文献

  1.    Saito, K., & Yashima, M. (2023). High proton conductivity within the 'Norby gap' by stabilizing a perovskite with disordered intrinsic oxygen vacancies. Nature Communications, 14, 7466.
  2.    Saito, K., Umeda, K., Fujii, K., Mori, K., & Yashima, M. (2024). High proton conduction by full hydration in highly oxygen deficient perovskite. Journal of Materials Chemistry A, 12(22), 13310-13319.

用語説明

論文情報

研究者プロフィール

八島 正知（ヤシマ マサトモ） Masatomo Yashima
東京科学大学 理学院 化学系　教授
研究分野：材料科学、無機・分析化学、構造解析、新規イオン伝導体の探索と構造物性

梅田健成（ウメダ　ケンセイ） Kensei Umeda
東京科学大学 理学院 化学系　修士課程大学院生（研究当時）
研究分野：無機・分析化学、新規プロトン伝導体の探索と構造物性

齊藤 馨（サイトウ ケイ） Kei Saito
東京科学大学 理学院 化学系　助教
研究分野：物質科学、無機・分析化学、新規プロトン伝導体の探索と構造物性

本田 孝志（ホンダ タカシ） Takashi Honda
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所　助教
研究分野：量子ビーム科学、強相関電子系、原子構造、イオン伝導

問い合わせ先

大阪大学
理化学研究所
高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター

プレスリリース(PDF)はこちら

概要

  超伝導検出器は高感度に微弱な信号を検出できるため、天文学や医療などさまざまな分野で利用されており、特にイメージングへの応用研究が盛んに行われてきました。超伝導を用いたイメージング素子の高性能化と実用化には、超伝導状態を維持するために素子全体を極低温に冷却する必要があります。また、高解像度化のためピクセル数を増加させますが、各ピクセルの均一性の確保も重要です。さらに、ピクセル数増加には読出し線の数の増加も伴うため、一つの線で複数の信号を運ぶ信号多重化^※3回路技術の導入が不可欠です。
  大阪公立大学 大学院工学研究科の石田 武和客員教授、ヴテダン客員研究員（ベトナム・ホーチミン市技術教育大学 講師、J-PARCセンター外来研究員）、小嶋 健児客員研究員（カナダ国立粒子加速器研究所 上席研究員）、小山 富男客員研究員、および研究基盤共用センターの宍戸 寛明教授らの研究チームは、課題を克服した新しいタイプの超伝導検出器の電流バイアス運動インダクタンス検出器（CB-KID）と、30ps（ビコ秒=10^-12秒）の高分解能の時間デジタル変換器（TDC）を装備した読み出し回路を開発し、4億画素イメージングの実証に成功しました（図1）。実証では、大阪公立大学、J-PARCセンター、その他機関による過去の共著論文で発表したデータを活用しました。
  本研究成果は、2025年11月25日に国際学術誌「AIP Advances」にFeatured Article（注目論文）としてオンライン掲載されました。また、AIPのScilight（科学ハイライト）対象論文にも選出され、インタビュー解説記事が同時にオンライン掲載されました。

研究者からのコメント

  超伝導検出器は先端分野で大活躍していますが、大画素撮像に向けて極低温動作環境への熱流入が大きな壁でした。新原理の超伝導検出器CB-KIDは読出し線は4本で良いので、遅延時間法と高速読出回路を組み合わせ、これまでの世界記録を1000倍も上回る大画素化に成功しました。この論文は、アメリカ物理学協会（AIP）が発行する30誌以上の学術誌の中から科学ハイライト論文として選出され、著者インタビュー記事も出版されました。本研究成果がフォトニクス分野だけではなく幅広い分野で活発に利用されることを期待しています。

研究の背景

  超伝導検出器はさまざまな分野で利用されており、特にイメージングへの応用研究が盛んに行われてきました。これまで、超伝導検出器の一つであるマイクロ波運動インダクタンス検出器（MKID）が、2020年に宇宙観測用途で信号多重化を工夫して2万画素を達成したことが報告されました。また、超伝導ナノ細線単一光子検出器（SNSPD）では、遅延時間法を使うことで40万画素を実現したことが世界記録として2023年に論文発表されました。イメージング素子の大画素化には、素子を極低温に冷却すること、ピクセル数を増やしピクセルの均一性を保つこと、読出し線の数が増える対策として一つの線に複数の信号を運ばせる信号多重化回路技術が必要になることなどが課題でした。さらなる高画素化にはこのような課題を解決する技術が求められていました。

研究の内容

  本研究グループは、大画素イメージングにおける超伝導検出器の課題を解決するため、新しい原理に基づく電流バイアス運動インダクタンス検出器（CB-KID）を提案しました。CB-KIDは、完全超伝導状態で動作し、全長151mの検出器のうち、約1μmの局所的な運動インダクタンス（ホットスポット）を利用する点でMKIDと大きく異なります。また、SNSPDのように臨界電流近傍でなく、任意のバイアス電流で動作可能なため、熱流入や電力消費を大幅に低減できます。さらに、ホットスポット理論に基づき、信号の伝搬時間差を利用する遅延時間法と新しく重心座標を決定する概念を導入し、サブミクロンピクセル（1μm以下の画素サイズ）を実現しました。その結果、CB-KIDは4億画素イメージングを達成し、超伝導検出器の大画素化におけるブレークスルーとなりました。本技術は、従来の制約を克服し、次世代の超高解像度イメージングに向けた新しい道を拓くものです。
  図3は、CB-KIDのホットスポット周りの様子を示しています。外部からエネルギーが局所的に付与されると超伝導クーパー対の一部が壊れて準粒子となり、ホットスポットができます。超伝導ナノワイヤと超伝導グランド平面の界面に電荷が発生し、絶縁層に発生する電界でプラス極性とマイナス極性の対称な電圧パルス対が誘起され、導波線路を互いに反対方向の両端の電極に向けて電磁波として高速（光のスピードの20％）で伝搬します。発生する2つの信号が両端の電極に到達する時刻の差を使ってホットスポット位置を決める方法が遅延時間法です。このホットスポットと信号の発生原理は、本研究グループが理論を導出しており、他の超伝導検出器と比べて動作原理が異なる新しいタイプの超伝導検出器です。

期待される効果・今後の展開

  CB-KIDは、従来の超伝導検出器の課題を克服し、4億画素という記録的な大画素イメージングを実現しました。今後は高画素化と30psの時間分解能を活かし、天文学で宇宙観測とリモートセンシング、分光イメージング、材料分析、量子情報通信、量子イメージング、3次元深度センシング、レーザー画像検出と測距（ライダLiDAR）、生命科学イメージング、医療イメージングなど幅広い分野での応用が期待されます。さらに、トリガー信号からの信号到達までの時間依存は30ps（ピコ秒）から30秒と12桁にも亘り高精度に追跡できる機能が装備されていることから、新しい計測・解析手法が開拓され、既存技術の置き換えや補完だけではなく、革新的な用途を創出する可能性があります。

資金情報

  本研究は、科学研究費補助金基盤研究（A）（JP16H02450、JP21H04666）、科学研究費補助金若手研究（JP21K13566、JP23K13690）、科学研究費補助金基盤研究（C）（JP22K04246）、J-PARCプロジェクト研究（2024P0501）の助成を得て実施されました。

用語解説

掲載誌情報

本研究は物質・生命科学実験施設BL10　NOBORU 中性子源特性試験装置を使用

研究内容に関する問い合わせ先

報道に関する問い合わせ先

発表のポイント

✣ レニウム原子が異方的三角形格子のネットワークを持つ全7種類の新物質群の開発に成功。
✣ フラストレーションを利用した磁性の一次元化機構によって朝永（ともなが）-ラッティンジャー液体状態を実現。。
✣ 複合アニオン化合物において、元素置換により磁性を自在に制御するための物質開発指針を与える。

異方的三角格子反強磁性体における磁気フラストレーション（左）と低温における磁性の一次元化（右）

概要

  東京大学物性研究所の厳正輝助教、小濱芳允准教授、河村光晶助教（研究当時）、廣井善二教授、名古屋大学大学院工学研究科の平井大悟郎准教授、矢島健准教授、東北大学大学院理学研究科の森田克洋助教、同大学多元物質科学研究所の那波和宏准教授、佐藤卓教授、高エネルギー加速器研究機構の幸田章宏教授、日本原子力研究開発機構J-PARCセンターの古府麻衣子研究副主幹（研究当時）らの共同研究グループは、磁性を持つレニウム原子が異方的に歪んだ三角形格子のネットワークを持つ複合アニオン化合物（注1）の開発に成功し、非磁性元素の置換によって磁気的性質を自在に制御できることを明らかにしました。
  本研究では全7種類の新物質群を合成し、その磁気的性質を詳細に調べたところ、いずれの物質も低温で「磁性の一次元化」（注2）と呼ばれる現象が起きることが明らかになりました。さらに、一部の物質では極低温まで磁気相転移を起こさず、朝永-ラッティンジャー液体（注3）状態を実現することを見出しました。
  本研究成果は、2025年11月26日付（現地時間）の英国科学誌Nature Communicationsに掲載されます。

発表内容

  ① 研究背景
  三角格子反強磁性体（注4）では、隣り合う電子スピン（注5）同士の向きを同時に反平行に揃えることができない幾何学的フラストレーションと呼ばれる状態が生じ、量子スピン液体（注6）と呼ばれる特異な磁気状態の実現が期待されています。ここで、三角格子を一方向に歪ませてスピン間の磁気的な相互作用の強さの比を変えることで、磁気状態を制御できることが理論的に予測されています。特に、三角形内の一辺の磁気相互作用が他の二辺に比べて強い場合には、実効的に一次元のスピン鎖とみなすことができ、一次元系に特有の磁気励起を伴う朝永-ラッティンジャー液体状態の実現が提案されていました。このような異方的三角格子のネットワークを持つ従来の無機化合物では、結晶構造の局所的な歪みに起因する付加的な磁気相互作用の存在のために、低温で磁気相転移（注7）が生じてしまい、朝永-ラッティンジャー液体の実現が阻まれていました。

  ② 研究成果
  本研究では、ピナライト（組成式Pb₃WO₅Cl₂）と呼ばれる非磁性の鉱物に着目し、タングステン（W）を磁性元素のレニウム（Re）に置き換えた物質群の開発を試みました。鉛（Pb）サイトにカルシウム（Ca）、ストロンチウム（Sr）、バリウム（Ba）の置換、塩素（Cl）サイトに臭素（Br）の置換を試み、全7種類の物質の合成に成功しました。本物質群に対する磁化測定から、いずれの物質も低温で一次元性が顕になる磁気相互作用のパラメータで特徴付けられることが明らかになりました。さらに、結晶構造解析と第一原理計算（注8）によって、本物質群は付加的な相互作用が内在するグループとその影響がほぼ無視できるグループに分類できることが分かりました（図1）。実際に、前者については低温での比熱測定から磁気相転移が観測されました。一方で、後者についてはミュオンスピン回転実験（注9）によって60ミリケルビンという極低温まで磁気相転移が起こらずに動的なスピンの揺らぎが存在することが確認され、中性子非弾性散乱実験（注10）によって朝永-ラッティンジャー液体の実現を示唆する磁気励起の観測（図2）に成功しました。これらの実験は、大強度陽子加速器施設（J-PARC）の物質・生命科学実験施設（MLF）BL14 AMATERAS、Muon D1にて実施されました。

  ③ 今後の展望
  本研究成果は、複合アニオン化合物への元素置換により、磁性を自在に制御するための物質開発指針を与えるものです。さらに、長らく実現が待ち望まれていた異方的三角格子上での朝永-ラッティンジャー液体状態の研究の拡大に大きく貢献すると期待されます。

図1：本研究で開発した全7種類の物質の結晶構造と磁気的性質に基づく分類

図2：Ba₃ReO₅Cl₂において観測された磁気励起スペクトル

Ba₃ReO₅Cl₂では60ミリケルビンの極低温まで磁気相転移を起こさず、長らく理論的に予想されていた朝永-ラッティンジャー液体状態の実現が実証された。異方的三角格子反強磁性体の理想的なモデル物質と言える。

関連情報

  「プレスリリース:見る方向や光の偏光によって三色に変化する物質を発見」（2017/7/18）
https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=1612

発表者・研究者等情報

東京大学

物性研究所

厳　正輝　助教

河村　光晶　助教（研究当時）

松尾　晶　　技術専門職員

金道　浩一　教授

小濱　芳允　准教授

廣井　善二　教授

大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻

小金　聖史　修士課程（研究当時）

大学院工学系研究科 物理工学専攻

松山　直史　博士課程（研究当時）

名古屋大学

大学院工学研究科 応用物理学専攻

平井　大悟郎　准教授

大学院工学研究科 材料デザイン工学専攻

矢島　健　准教授

大学院理学研究科 理学専攻

出口　和彦　講師

東北大学

大学院理学研究科 物理学専攻

森田　克洋　助教

多元物質科学研究所 無機材料研究部門

那波　和宏　准教授

佐藤　卓　　教授（現：東京大学物性研究所 附属中性子科学研究施設　教授 クロスアポイントメント)

高エネルギー加速器研究機構

物質構造科学研究所

幸田　章宏　教授

日本原子力研究開発機構J-PARCセンター

物質・生命科学ディビジョン 中性子利用セクション

古府　麻衣子　研究副主幹（研究当時、現：東京大学物性研究所 附属中性子科学研究施設　教授）

河村　聖子　　研究副主幹

 

論文情報

雑誌名	Nature Communications
題名	Chemically tunable quantum magnetism on the anisotropic triangular lattice in rhenium oxyhalides
著者名	M. Gen*, D. Hirai, K. Morita, K. Nawa, S. Kogane, N. Matsuyama, T. Yajima, M. Kawamura, K. Deguchi, A. Koda, M. Kofu, S. Ohira-Kawamura, T. J. Sato, A. Matsuo, K. Kindo, Y. Kohama, and Z. Hiroi
DOI	10.1038/s41467-025-65913-7

研究助成

  本研究は、科研費「ハイパーマテリアルの物性とhidden orderの探索（課題番号：19H05821）」、「量子液晶の精密計測（課題番号：19H05824）」、「5d電子系における多極子物性の理解と物質開発（課題番号：20H01858）」、「ブリージングパイロクロア反強磁性体の超強磁場新奇磁気相の探索（課題番号：20J10988）」、「中性子散乱による量子磁性研究の新展開（課題番号：22H00101）」、「準結晶における長距離秩序・新奇量子状態の探索と異常金属状態の研究（課題番号：22H01167）」、「1000 T結晶格子の探索と解明（課題番号：23H04860）」、「一次元量子磁性体におけるスピノンのバンド交差とバンド反転（課題番号：23K03296）」、「量子磁性体におけるトポロジカル磁気構造・励起に関する中性子散乱国際共同研究（課題番号：23KK0051）」の支援により実施されました。

用語解説

（注1）複合アニオン化合物
  通常の酸化物やハロゲン化物とは異なり、複数の種類の陰イオン（＝アニオン)を構成元素に含む化合物。本研究で開発した物質では、酸素イオンに加えて塩素イオンもしくは臭素イオンが含まれ、レニウム原子の周りを取り囲んで特殊な結晶構造を形成している。

（注2）磁性の一次元化
  磁気的なフラストレーションを有する二次元もしくは三次元の格子ネットワークを持つ系において、スピン状態の競合や揺らぎによって一方向にだけ強い磁気的な相関が実効的に働くことによって、一次元のスピン鎖で見られる磁気的振る舞いが観測される現象。

（注3）朝永（ともなが）-ラッティンジャー液体
  一次元スピン鎖に特有の「秩序なき量子状態」である。電子スピンが「スピノン」と呼ばれる分数化した励起として振る舞い、相関が距離とともにべき乗で減衰する性質を持つ。中性子散乱では連続体スペクトルとして観測され、低温の比熱は温度に比例する。本研究では、これらの特徴が全て実験的に観測された。

（注4）三角格子反強磁性体
  磁性を持つ陽イオンが正三角形の格子ネットワークを形成し、隣接する電子スピン同士が反平行の配置を好むような「反強磁性」の磁気相互作用が働く磁性体。

（注5）電子スピン
  電子が生まれつき備える量子力学的な固有の角運動量で、微小な磁石として上向き/下向きの向きをとる性質のこと。

（注6）量子スピン液体
  スピンが低温でも規則正しく整列せず、強い量子ゆらぎと量子もつれによって長距離まで相関が保たれる特異な量子状態。長距離磁気秩序（強磁性・反強磁性など）が自発的に現れず、多くの量子状態の重ね合わせとして記述される。広い意味では一次元スピン鎖における「朝永-ラッティンジャー液体」もスピン液体的とみなされるが、狭義では主に二次元以上の相を指す用法もある。

（注7）磁気相転移
  温度や磁場、圧力の変化によって、物質の磁気状態が不連続または急激に変わる現象。秩序の有無や対称性が切り替わり、比熱や磁化などの物性が特徴的に変化する。

（注8）第一原理計算
  実験に合わせた経験パラメータを用いずに、結晶構造のみを入力として量子力学の第一原理（シュレーディンガー方程式）に基づき、電子状態や磁性などの物性を予測する計算手法。

（注9）ミュオンスピン回転実験
  スピンがそろった素粒子「ミュオン」を試料に打ち込み、試料内部の磁場でミュオンのスピンが歳差運動（回転）・緩和する様子を崩壊時に飛び出す陽電子の向きから検出することで、スピンの秩序やゆらぎを調べる手法。

（注10）中性子非弾性散乱実験
  入射中性子が試料でエネルギーと運動量をやり取りして散乱される様子を測り、エネルギーと運動量を分解して格子振動や磁気励起などのダイナミクスを調べる手法。

問合せ先

（研究内容については発表者にお問合せください）

東京大学物性研究所　助教

厳　正輝（げん　まさき）

名古屋大学大学院工学研究科　准教授

平井　大悟郎（ひらい　だいごろう）

 

< 報道に関するお問合せ >

J-PARCセンター 広報セクション

TEL：029 -287 -9600

E-mail：pr-section[at]ml.j-parc.jp

 

日本原子力研究開発機構　総務部報道課

 

※上記の[at]は@に置き換えてください。

 

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J-PARCセンター東海村東海村教育委員会日本原子力研究開発機構高エネルギー加...

J-PARC

J-PARCセンター
東海村
東海村教育委員会
日本原子力研究開発機構
高エネルギー加速器研究機構

  J-PARC^※センター、東海村および東海村教育委員会は、J-PARC講演会2025「むずかしい？J-PARCで広がる素粒子・原子核の世界をわかりやすく説明してみます」を開催します。
  本講演会は、第100回J-PARCハローサイエンス^※※を記念して行います。

開催日：令和7年11月29日（土）

詳細は、こちらを参照下さい。

  報道関係各位におかれましては、是非ご来場の上、ご取材くださいますようご案内申し上げます。

  取材申し込み方法：取材をご希望の方は、必要事項（お名前、ふりがな、貴社名、電話番号、メールアドレス）をpr-section[at]j-parc.jpへ11月28日（金）17：00までにご連絡ください。
  ※上記の[at]は@に置き換えてください。

【講師紹介】 (敬称略) 

高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所　教授　J-PARCセンター素粒子原子核ディビジョン　三原　智（みはら　さとし）	東京大学大学院理学系研究科物理学専攻　教授、クォーク・核物理研究機構機構長中村　哲（なかむら　さとし）

  ※大強度陽子加速器施設J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex）は、日本原子力研究開発機構（JAEA）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）が共同で運営する最先端の大型研究施設です。ほぼ光速まで加速した世界屈指の大強度陽子ビームから、中性子、ミュオン、ニュートリノ、K 中間子等の多彩な二次粒子ビームを作り出して多種多様な実験を行っており、世界中から多くの研究者が集まっています。

  ※※J-PARCハローサイエンスは、世界で活躍する研究者や技術者と研究成果や技術開発について気軽に語りあえるイベントです。2016年12月から始め、月末の金曜日、18：00～実施しています。詳細は、https://j-parc.jp/c/events/hello-science/index.htmlからご確認下さい。

【開催概要】

T2K 実験国際共同研究グループ
高エネルギー加速器研究機構
東京大学
J-PARCセンター

本研究成果のストーリー

 - Question -
✣ 素粒子ニュートリノには3種類ありますが、それらがどのような質量の順序で並んでいるのか、まだわかっていません。また、ニュートリノが粒子と反粒子で異なる振る舞いをするのか、が残された別の謎です。ニュートリノが飛行している途中でその種類を変える「振動」という現象を使って、これらの謎の解明を目指しています。
 - Findings -
✣ 日本のT2K実験と米国のNOvA実験が初めて共同解析を行い、ニュートリノ振動の精密測定の結果を英科学誌Natureに発表しました。質量の順序は未解決ながら、その順序によって粒子と反粒子の振る舞いの差に大きな制限がかかることを確認しました。また、質量の二乗差の測定精度を向上させました。
 - Meaning -
✣ 異なる特徴を持つ2つの国際大型ニュートリノ振動実験が、データ統合・解析することで、単独では到達できない精密な測定が可能になりました。また、ニュートリノの粒子と反粒子の振る舞いの差を調べたことにより、宇宙に物質が満ちている理由である「物質と反物質の非称性」の謎の解明に近づく一歩となりました。

T2K実験(左)とNOvA実験(右)の概要。

120文字サマリー

  日本のT2K実験と米国NOvA実験が初の共同解析を実施し、ニュートリノ振動の精密測定を実現した。ニュートリノ質量順序の決定には至らずも、将来の解明に向けた重要な一歩を示した。

概要

  日本のT2K実験と米国のNOvA実験は、データ統合を含む共同解析を実施し、その最初の結果を科学誌Natureに発表しました。両者はいずれも加速器を用いる長基線ニュートリノ振動実験です。この2つの実験が、異なる基線長 (ニュートリノの飛行距離) やエネルギー条件を活かした共同解析を実施し、ニュートリノ振動の精密測定を行いました。その結果、ニュートリノの質量の二乗差に関する不確かさを2％未満に縮小することに成功しました。また、3種類のニュートリノの質量順序はまだ不明であるものの、その順序によっては粒子・反粒子間の対称性であるCP対称性の破れの大きさに大きな制限がかかることがわかりました。今回の成果は、ニュートリノのCP対称性の破れや宇宙における物質・反物質非対称の起源を解明する上で重要な一歩となります。今回の共同解析は、2010年から10年間のT2Kデータと、2014年から6年間のNOvAデータを統合したもので、競合しながらも補完し合う2つの国際共同実験の協力体制を示す成果でもあります。

研究グループ

  T2K実験国際共同研究グループは、世界15の国・国際機関にある76の研究機関から、約560人の研究者が参加する国際共同研究グループです。日本からは、大阪公立大学・岡山大学・京都大学・慶應義塾大学・高エネルギー加速器研究機構・神戸大学・総合研究大学院大学・東京科学大学・東京都立大学・東京大学・東京大学宇宙線研究所・東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構・東京理科大学・東北大学・富山大学・宮城教育大学・横浜国立大学の研究者と大学院生総勢約130名が参加しています。
  NOvA 実験国際共同研究グループは、世界8か国49機関から250人以上の研究者が参加しています。

背景

  宇宙が誕生したとき、物質と反物質が同じ数だけ存在していたはずです。しかし、もしそうであれば、両者は完全に打ち消し合い、全てが消滅してしまいます。それでも、私たちはここに存在しているのは、宇宙誕生から今までの間に、反物質がなくなり物質だけが残ったためです。なぜ物質だけが残ったのか、その理由は未だわかっていません。
  物理学者たちは、その答えがニュートリノと呼ばれる非常に捉えにくく大量に存在する粒子の謎めいた振る舞いに隠されているのではないかと疑っています。「ニュートリノ振動」と呼ばれる現象、つまりニュートリノが移動する途中で種類を変える現象を詳しく研究することで、その答えに近づけるかもしれません。
  そこで、日本の T2K 実験と米国の NOvA 実験という、ニュートリノ振動研究に取り組む2つの国際共同研究チームがタッグを組み、初の共同成果をまとめました。別々の素粒子の国際研究チームが共同で解析に取り組んで成果を出すことは稀なケースとなります。科学誌 Nature に発表されたこの解析は、ニュートリノ振動に関する分野でもっとも精密な測定のひとつです。T2Kの共同研究者であるトマシュ・ノセク氏はこう説明します。
  「今回の成果は、2つの国際共同研究チームの協力と相互理解のもとに生まれたものです。両者は、それぞれ全く異なる環境で、異なる方法と道具を使って活動してきました。」

実験は違えど、目指すゴールは同じ

  ニュートリノはどこにでも存在しますが、検出や研究は非常に難しい粒子です。1950年代に初めて観測されて以来、研究が続けられていますがこの「幽霊粒子」の性質はいまだ謎に包まれています。最近の物理学の研究から、ニュートリノの性質について理解を深めることで、なぜこの宇宙には物質だけが残ったのか、その根本的な真実を明らかにできる可能性があると言われています。
  T2K と NOvA はどちらも「加速器長基線ニュートリノ振動実験」と呼ばれる実験で、人工的に強力なニュートリノビームを発射し、発射源近くの近距離ニュートリノ検出器と、数百キロメートル離れた遠距離ニュートリノ検出器の両方でニュートリノを捉え、飛行中に起こるニュートリノの種類の変化を調べています。ニュートリノ振動は、ニュートリノの飛行距離でその現象のあらわれ方が異なります。
  NOvA（NuMI Off-axis νe Appearance 実験）は、米イリノイ州シカゴ近郊のフェルミ国立加速器研究所（Fermilab）からミネソタ州アッシュリバーにある14,000トンの液体シンチレーター検出器まで、810kmの距離で実験をしています。T2K（Tokai to Kamioka 実験）は、茨城県東海村で高エネルギー加速器研究機構と日本原子力研究開発機構が共同運営するJ-PARCから岐阜県飛騨市神岡の地下1kmにある50,000トンの水チェレンコフ型検出器スーパーカミオカンデまで、295kmの距離で実験をしています。
  両実験は科学的な目的は共通しているものの、距離やニュートリノのエネルギーが異なるため、データを組み合わせることでより多くの情報が得られると期待されます。NOvA の共同研究者リュドミラ・コルパエワ氏はこのように説明します。
  「共同解析を行うと、単独実験よりも常に精度が上がります。同じ目的を持っていても高エネルギー物理学の実験はセットアップが異なることが多いのです。共同解析により、それぞれのセットアップでの補完的な特徴を活かすことができます。」
  2017年ごろから2つの実験を組み合わせることでさらに感度よくニュートリノ振動の測定をすることを目指した議論が始まりました。その後、十分なデータが蓄積し、また共同解析の準備も整い、今回の成果につながりました。

何がわかったのですか

  今回の成果で、ニュートリノのCP対称性の破れとニュートリノの質量に関する新しい知見を得ることができました。「CP対称性の破れ」では、ミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動が、ニュートリノと反ニュートリノの間に非対称性をもたらします。実は、「ニュートリノ質量順序」によっても、そのあらわれ方が変わります。「ニュートリノ質量順序」とは、どのニュートリノがもっとも軽いかを問う問題です。ニュートリノには極めて小さな質量があり、その質量の順序には「正順」と「逆順」の2通りがあります。正順では、軽い質量状態が2つ、重い状態が1つ、逆順では重い質量状態が2つ、軽い状態が1つとなります。
  正順ではミューニュートリノが電子ニュートリノに振動する確率が高まり、反ミューニュートリノが反電子ニュートリノに振動する確率は低下します。逆順の場合はその逆が起こります。「CP対称性の破れ」による効果と「ニュートリノ質量順序」による効果は、1つの実験で分けることは簡単ではありません。異なる距離とエネルギーの2つの実験を組み合わせることで、この2つの効果を切り分けやすくなります。共同解析は、この点を狙いました。
  T2K実験もNOvA実験も、以前のそれぞれ単独の解析では正順序の方がデータ的に確かな（有意性が高い）結果を得ていたのですが、今回の共同解析では、どちらの質量順序にも有意差がないという結果になりました。将来、もし正順だと判明した場合はCP対称性の破れについて明確なことは言えず、さらなるデータが必要です。一方で、もし逆順であることが判明すれば、今回の結果はニュートリノがCP対称性を破っている証拠となり、この宇宙で物質が残り、反物質が消えた理由の説明につながる可能性があります。
  また、この共同解析ではニュートリノの質量の二乗差について、その不確かさを2％未満に縮小することに成功しました。これは、これまでよりも精密な測定結果です。この結果により、他のニュートリノ実験との精密な比較が可能となり、ニュートリノの性質をさらに検証できるようになりました。

今後の展望

  今回の共同解析はニュートリノの謎を完全に解いたわけではないですが、知識を大きく前進させ、競合しながらも補完的な協力関係を築けることを証明しました。共同解析の準備は2019年に始まり、NOvAの6年分（2014年開始）、T2Kの10年分（2010年開始）のデータを統合しました。両実験は今もデータ収集中で、すでに最新データを使った次回解析の準備が進んでいます。
  今回の成果は今後のニュートリノ研究の礎となります。米国では、Fermilab主導のDUNE実験が建設中で、1,300kmというさらに長い基線により質量順序の決定に高感度を発揮し、2030年代初頭には決定的な答えを出せる可能性があります。日本では、スーパーカミオカンデの後継「ハイパーカミオカンデ」が岐阜県飛騨市神岡の鉱山の地下に建設中で、2028年から実験開始の予定です。ハイパーカミオカンデは、スーパーカミオカンデの約8倍大きい検出器と大強度ビームによる統計量の多い測定によりCP対称性の破れを高感度に探索します。
  多くの物理学者は、次世代のニュートリノ実験が NOvA と T2K のように協力し、ニュートリノとその特異な性質についての理解をさらに深めてくれることを期待しています。最後にノセク氏はこのように説明しました。
  「今回の解析が示す通り、真の意味での『ライバル』実験は存在しません。すべての研究は共通の科学的目標 ― 現象の解明 ― を共有しています。協力は、知識やノウハウ、経験の伝達、そして資源・アイデア・道具の共有において不可欠です。T2K-NOvA の協力関係は、単なる2つの実験の和ではありません。それは、はるかに大きな価値を持つのです。」

T2K実験国際共同研究グループ (左) とNOvA実験国際共同研究グループ (右)

論文情報

タイトル	Joint neutrino oscillation analysis of data from the T2K and NOvA experiments
著者	S.Abubakar et al. (NOvA and T2K collaboration)
雑誌名	Nature Vol. 646, pp.818-824, on October 22, 2025 https://www.nature.com/articles/s41586-025-09599-3
DOI	https://doi.org/10.1038/s41586-025-09599-3

お問い合わせ先

< 研究内容に関すること >

T2K実験国際共同研究グループ代表

高エネルギー加速器研究機構

素粒子原子核研究所ニュートリノグループ　教授　坂下　健

 

< 報道担当 >

高エネルギー加速器研究機構 広報室

TEL：029 -879 -6047

E-mail：press[at]kek.jp

 

東京大学宇宙線研究所附属神岡宇宙素粒子研究施設 広報室

 

J-PARCセンター広報セクション

TEL：029 -287 -9600

E-mail：pr-section[at]ml.j-parc.jp

 

※上記の[at]は@に置き換えてください。

 

概要

  理化学研究所（理研）創発物性科学研究センタートポロジカル量子物質研究ユニットの山田林介客員研究員（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻助教）、プリヤ・バラル客員研究員（東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター客員研究員）、マックス・ヒルシュベルガーユニットリーダー（東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻准教授）、強相関量子伝導研究チームのマックス・バーチ基礎科学特別研究員（研究当時、現強相関物性研究グループ研究員）、十倉好紀チームディレクター（東京大学卓越教授／東京大学国際高等研究所東京カレッジ）、創発機能設計研究ユニットの奥村駿ユニットリーダー（東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター特任准教授）、強相関量子構造研究グループの有馬孝尚グループディレクター（東京大学大学院新領域創成科学研究科教授）、量子物性理論研究グループのモリッツ・ヒルシュマン基礎科学特別研究員、高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の佐賀山基准教授、中尾裕則教授、総合科学研究機構中性子科学センターの大石一城主任研究員、日本原子力研究開発機構J-PARCセンターの大原高志研究主幹、鬼柳亮嗣研究副主幹らの共同研究グループは、これまでの磁石とは異なる新しいルールで整列した金属p波磁性体^[1]の存在を初めて実証しました。
  本研究成果は、反強磁性体^[2]を用いたスピントロニクス^[3]や量子デバイスの応用研究への貢献が期待されます。
  これまで、奇パリティ^[4]を持つp波型スピン分裂^[5]は理論的に予言されていたものの、金属的な性質を持つp波磁性体の実験的な報告はありませんでした。
  共同研究グループは、共鳴X線散乱^[6]および中性子散乱^[7]と呼ばれる測定手法を利用して、結晶中の原子配列の繰り返しの6倍の周期を持つ磁気構造^[8]を観測し、金属p波磁性体の存在を実証しました。微細加工デバイスにおける電気抵抗測定により、p波スピン分裂に起因する電気抵抗の方向による大きさの違い（異方性）も観測しました。
  本研究は、科学雑誌『Nature』オンライン版（10月22日付：日本時間10月23日）に掲載されます。

p波磁性体の磁気構造（左）と電子の運動方向に依存するスピン分裂（右）

背景

  私たちが日常的に利用している磁石は、電子スピン^[9]が同じ方向にそろった「強磁性体」と呼ばれるものです。一方、電子スピンが交互に逆方向を向く「反強磁性体」では、全体の磁化が打ち消されるため外見上は磁石の性質を示しませんが、量子力学的効果により多様な電子の動きや性質に関わる物理的・化学的な働きを発現することが知られています。
  電子スピンの向きによってエネルギーの違いが生じることを「スピン分裂」と呼びます。このスピン分裂は磁性体の基本的な性質を決定づける要因の一つです。物質が電子の運動方向に依存するスピン分裂（運動量空間^[10]におけるスピン分裂）を示す場合、スピン分裂はs波、p波、d波などとその対称性によって分類することができます。一般的に磁石（強磁性体）はs波のスピン分裂を示しますが、逆向きに動く電子のスピン分裂の符号が反転するようなp波型スピン分裂は理論的には古くから予言されていたものの、安定した物質中で実際には観測されていませんでした（図1）。

図1 運動量空間におけるスピン分裂に着目した磁性体の分類

実空間（x,y）において規則的なスピンの配列（青、赤、紫の矢印）が生じると、運動量空間（kx, ky）において電子スピンに依存するエネルギー分裂（右下の青と赤の帯）が現れる。運動量空間でkxの反転に伴って、スピン分裂の符号（上向きと下向きスピンを持つ電子のエネルギー差）が一度だけ反転するp波磁性体は理論的に予測されていたが、金属p波磁性体の実験的な報告はなかった。Mは正味の磁化の大きさを表す。

  近年の理論研究により、結晶格子（結晶の繰り返し周期）の偶数倍周期を持つらせん磁気構造において、全体の磁化が打ち消される反強磁性体でありながらp波型スピン分裂が現れる「p波磁性体」が出現し得ることが提案されました^注）（図2a）。p波磁性体におけるスピン分裂は、室温の熱エネルギーの数倍から数十倍に当たる数百ミリ電子ボルト（meV、1meVは1,000分の1電子ボルト）という大きなエネルギースケールを持ち、電流による高効率なスピン蓄積や大きな異方的磁気抵抗効果の発現につながると期待されていました。
  このように、p波磁性体は長年にわたり理論的な興味を集めてきましたが、格子周期と整合した原子スケールの金属p波磁性体はこれまで報告例がありませんでした。
  注）A.B. Hellenes, et al., arXiv:2309.01607v3 (2024)

研究手法と成果

  共同研究グループは、希土類金属化合物Gd₃ (Ru,Rh) ₄Al₁₂（Gd:ガドリニウム、Ru:ルテニウム、Rh:ロジウム、Al:アルミニウム）に着目しました。この物質では、伝導電子が媒介する磁気的な相互作用により、局在スピンがらせん的な磁気秩序を形成することが知られています。そこで、Ruの一部をRhに置換して電子状態を調整することで、らせん磁気構造の周期を原子が規則正しく並ぶ結晶格子と整合させることを試みました。
  共鳴X線散乱および中性子散乱を用いて磁気構造を詳細に調べたところ、RuをRhに約5％置換した試料において、磁気の配列を示す磁気格子が結晶格子の6倍となる「格子偶数整合ならせん磁気構造」（図2a）が形成されていることを確認しました。さらに偏光解析を行い、全てのスピンが同一平面上で回転する共面的ならせん磁気構造であることを明らかにしました（図2b）。この測定により、金属p波磁性体の存在を実験的に実証することができました。

図2 p波磁性体の対称性の要件と本研究で観測した格子偶数整合ならせん磁気構造

 （a）p波磁性体の対称性の要件。磁気格子が結晶格子の偶数倍となるらせん磁性体では、p波磁性体に要請される対称性が満たされる。（b）本研究で観測した結晶格子の偶数倍の磁気周期を持つらせん磁気構造。希土類金属化合物Gd₃ (Ru,Rh) ₄Al₁₂に対して共鳴X線散乱測定による磁気構造決定を行うことで、金属p波磁性体の実現を実験的に実証した。

  さらに、異方的なp波スピン分裂が電子輸送特性に及ぼす影響を明らかにするために、集束イオンビーム^[11]を使用してマイクロメートルスケールのデバイスを作製しました（図3a）。このデバイスでは、基板からのひずみの影響を除去した上で、異なる方向に電流を流した場合の電気抵抗を精密に測定することが可能です。その測定の結果、p波スピン分裂の理論から期待される電気抵抗の異方性を観測することができました（図3b）。

図3 デバイスの電子顕微鏡写真と金属p波磁性体において現れる電気抵抗の異方性

 （a）測定に用いた微細加工デバイスの電子顕微鏡写真。集束イオンビームを使用してGd₃ (Ru,Rh) ₄Al₁₂の大きな結晶から切り出されたマイクロメートルスケールのデバイス（中央のマゼンタ色部分）において電気抵抗測定を行った。スケールバーは5マイクロメートル（μm、1μmは100万分の1メートル）。（b）金属p波磁性体において現れる電気抵抗の異方性。p波スピン分裂が生じる向きに対して、平行方向と垂直方向で電気抵抗の大きさに違いが見られる（異方性が現れる）。

今後の期待

  本研究では、巨大なスピン分裂であるp波スピン分裂を有する金属p波磁性体を世界で初めて実証することに成功しました。これにより、奇パリティなスピン分裂に関する理論的研究を検証できる道が開かれました。今後は、金属p波磁性体を活用することで、電流を用いた効率的な磁化生成や超伝導との融合による新しい量子現象の探索など、多方面への展開が期待されます。

論文情報

補足説明

共同研究グループ

研究支援

  本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（S）「磁性伝導体における新しい創発電磁誘導（研究代表者：十倉好紀、JP23H05431）」、同新学術領域研究（研究領域提案型）「Anisotropic electron gas and memory application from spin-spiral formation（研究代表者：マックス・ヒルシュベルガー、JP22H04463）」、同特別研究員奨励費「遷移金属酸化物におけるスピントポロジー、創発インダクタンス、電子相関効果の探索（研究代表者：マックス・ヒルシュベルガー、JP22KF0124）」、同研究活動スタート支援「実空間と波数空間の創発磁場を用いた新奇量子輸送現象の探索（研究代表者：山田林介、JP22K20348）」、同若手研究「極性ワイル半金属における非線形ホール効果（研究代表者：山田林介、JP23K13057）」「強相関材料の電荷秩序揺らぎによる熱電応答の探索（研究代表者：山田林介、JP25K17336）」「物質中の磁気単極子が示す非平衡電磁気現象の微視的理論（研究代表者：奥村駿、JP22K13998）」、同基盤研究（A）「トポロジカルMEMS工学の創生（研究代表者：江澤雅彦、JP23H00171）」、同基盤研究（B）「強相関電子系におけるトポロジカル非線形機能の開拓（研究代表者：森本高裕、JP23K25816）」、同学術変革領域研究（A）「Exploration of spin textures via emergent inductance measurements in the ultra-quantum limit（研究代表者：マックス・ヒルシュベルガー、JP24H01607）」「量子極限における擬一次元強相関ディラック電子による新奇量子相の探索（研究代表者：山田林介、JP24H01604）」、村田学術振興財団、山田科学振興財団、服部報公会、マツダ財団、カシオ科学振興財団、稲盛財団、高柳健次郎財団、日本材料科学技術振興財団、八洲環境技術財団、矢崎科学技術振興記念財団、ENEOS東燃ゼネラル研究奨励・奨学会、科学技術振興機構（JST）創発的研究支援事業「中心対称な金属におけるメロン・スキルミオン構造の開拓 Pioneering meron and skyrmion textures in centrosymmetric metals（研究代表者：マックス・ヒルシュベルガー、JPMJFR2238）」、同戦略的創造研究推進事業CREST「ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御（研究代表者：永長直人、JPMJCR1874）」「Beyond Skyrmionを目指す新しいトポロジカル磁性科学の創出（研究代表者：于秀珍、JPMJCR20T1）」「電気回路によるトポロジカル量子計算方法の創生（研究代表者：江澤雅彦、JPMJCR20T2）」、同先端国際共同研究推進事業ASPIRE「電荷秩序を用いたトポロジカル物質の磁気機能開拓（研究代表者：マックス・ヒルシュベルガー、JPMJAP2426）」、同戦略的創造研究推進事業さきがけ「スピン空間群に基づく格子偶数整合p波磁性体の開拓（研究代表者：山田林介、JPMJPR259A）」「ディラックの弦の自在な制御による量子機能設計（研究代表者：奥村駿、JPMJPR2595）」、ドイツ研究振興協会「研究代表者：モリッツ・ヒルシュマン、518238332」「研究代表者：ヤン・マッセル、547968854」「Transregio TRR 360 - 492547816」による助成を受けて行われました。なお、本研究における共鳴X線散乱実験は、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光共同利用実験課題（課題番号：2022G551、2023G611）によりフォトンファクトリーBL-3Aおよび中性子散乱実験は、大強度陽子加速器施設（J-PARC）の物質・生命科学実験施設（MLF）に設置されたビームライン「大観」（課題番号：2020B0347）、「千手」（課題番号：2020A0282）において実施しました。

発表者・機関窓口

機関窓口

J-PARCセンター
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

  中間検出器（IWCD：Intermediate Water Cherenkov Detector）は、ハイパーカミオカンデ実験にむけて新たに開発されたニュートリノ観測装置です。J-PARCのニュートリノ発生地点から約 1km離れた東海村内に設置します。本格的な観測の開始は2028年頃を予定しています。
  今般、中間検出器の設置工事着工式を行います。報道関係各位におかれましては、是非ご来場の上、取材くださいますようご案内申し上げます。

中間検出器（IWCD）は、地下を通過するニュートリノビームを捉えるため、深さ約50m、直径約10mの立坑の内部に設置するタンクに水を蓄えて観測を行います。ニュートリノ振動により変化する前のニュートリノの性質を詳しく調べるために、ハイパーカミオカンデと同じ原理でニュートリノ観測を行います。また世界初の試みとして、検出器の上下位置を変えて観測することでニュートリノ反応をエネルギーごとに測定できるようになる予定です。

本件に関するお問合せ先

大阪大学
高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
科学技術振興機構

概要

  アミノ酸 [1] の重水素化（重水素ラベル化）は、医薬品開発の現場や中性子散乱による構造生物学 [2] など、幅広い研究分野で求められています。しかし、従来法では合成コストが高く、高効率な重水素導入や光学異性体 [3] 分離、大量合成が難しいという課題がありました。これらを克服するため、より実用的な手法の開発が強く望まれていました。
  本研究では、人体でタンパク質の材料となるアミノ酸20種類を対象に、人工的に水素を重水素 [4] に置き換える実験を行いました。種類が異なるアミノ酸に対して最適な白金族触媒 [5] や反応条件を見出すことで、13種類のアミノ酸を効率よく、かつ安定的に重水素化することに成功しました。本手法では光学異性体も生成し混合物となりましたが、光学異性体分離カラムで単離することもできました。
  このうち、健康食品や医薬品分野で注目されているアミノ酸の一つであるトリプトファン [6] に注目し、その重水素化体である重水素体トリプトファンについて、物理的性質や構造の詳細な評価を実施しました。その結果、トリプトファンは重水素化することで、紫外線に対して分解されにくくなることを明らかにしました。
  今回確立した手法により、重水素化アミノ酸を安定的に供給できる基盤が整いました。医薬品開発や、中性子を用いた構造生物学研究の加速が期待されます。さらに、重水素化による光安定性の向上を活かし、品質の安定した薬剤や高耐久性バイオマテリアルの創製への応用展開も視野に入ります。
  本研究は、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長:小口正範、以下原子力機構）、J-PARCセンター物質・生命科学ディビジョンの柴崎千枝研究員、奥隆之セクションリーダー、一般財団法人総合科学研究機構（理事長:横溝英明）の阿久津和宏副主任技師、杉山晴紀研究員、上田実咲技師、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（以下QST）の安達基泰グループリーダー、欧州研究インフラコンソーシアムESS、ルンド大学のZoë Fisherグループリーダーによるものです。
  本研究成果は、9月16日付（日本時間）の国際学術誌「Bioengineering」に掲載されました。

これまでの背景・経緯

  タンパク質やペプチドは生命活動を支える中心的な分子であり、医薬品開発や構造生物学研究の重要な対象です。多種のアミノ酸が鎖状につながったペプチドや、数十個以上がつながり立体的な構造をとるタンパク質は、筋肉や皮膚など身体を形作るだけでなく、酵素として食物の消化を助けたり、免疫やホルモンの前駆体 [7] として生理機能を調節する役割も担っています（図1）。

  ほとんどのアミノ酸はその分子構造の特徴から光学異性体が存在し、L体とD体に区別できます（図2）。自然界に存在するアミノ酸はほとんどがL体アミノ酸です。一方で、D体アミノ酸は、細菌の細胞壁ペプチドや一部の海洋生物、哺乳類の脳内ペプチドなど、限られた場面でしか検出されません。その存在量もL体に比べてごく少量で、生合成経路も特殊です。一部のD体アミノ酸は抗菌作用や、微生物からの分解耐性などの特徴を持つと言われていますが、統一的な研究は進んでいません。
  また、化学反応時に生成する光学異性体の割合の制御や単離には、高度な分析・分離技術が不可欠です。したがって、L体とD体の混合物から片方を取り出す技術は、基礎研究から医薬品、新素材開発に至るまで、重要かつ難易度の高いテーマです。
  近年、アミノ酸の水素原子（¹H）を重水素（²H）で置き換えた「重水素化アミノ酸」が注目されています。すでに製薬分野では、薬物動態解析 [8] や代謝トレーシング [9] といった分析に用いられている一方で、重水素化された分子は軽水の分子よりも結合が強くなるため、分子の分解や代謝が遅くなり、安定性が高まるという特徴を利用した「重水素化医薬品 [10] 」開発も加速しています。また、タンパク質の構造を詳しく調べる手法の一つである「中性子散乱実験 [11] 」においては、標的分子の重水素化が観測精度を大幅に高めるため、欠かせない技術となっています。
  しかし、重水素化がアミノ酸やペプチドの性質、特に光安定性や酸安定性といった基礎的な物性に及ぼす影響については、知見が限られており、十分には理解されていません。
  従来のアミノ酸重水素化法にはいくつかのアプローチがあります。重水素化試薬を組み込んで分子を一から合成する「化学合成法」、重水で微生物を培養してアミノ酸を得る「発酵法」、通常のアミノ酸を重水存在下で酵素や有機触媒 [12] により変換する方法などです。しかし、それぞれにメリット・デメリットがあります。特に、アミノ酸の側鎖(図2)を含めた広範な重水素化や、反応中に起こる光学異性体の混合を考慮した光学異性体分離については報告例が限られています。そのため、実用的で効率の高い重水素化手法の開発が強く求められてきました。

今回の成果

  本研究では、白金族触媒と2-プロパノールを用いた水素-重水素直接交換反応 [参考文献 1] によって、タンパク質を形作るのに必要な20種類のアミノ酸を対象に重水素ラベル化を試みました。その結果、反応条件（温度・時間・添加剤・触媒の種類）を最適化することで、13種類のアミノ酸において高い重水素化率（平均重水素化率50%以上）かつ高収量（グラムスケール）の重水素化を実現しました。特に、アラニン・バリン・フェニルアラニン・トリプトファン・チロシン・ヒスチジン・プロリン(図3)など、市販では高価な重水素化アミノ酸を高効率で合成できたことは、実用的観点から大きな意義があります。

  トリプトファンは神経伝達物質であるセロトニンやメラトニンの前駆体で、単体でも健康食品や医薬品分野で注目されているアミノ酸です [参考文献2,3] 。本研究では、L体トリプトファンを材料にし、その重水素化率は73.1％を達成しました。一方で光学異性体が生成され、重水素化トリプトファンの半分はD体となりました。そこで、光学異性体分離カラムを用いてL体とD体の分離を行い、これまで市販されていない重水素化D体トリプトファンの単離にも成功しました。
  さらに、得られた重水素体トリプトファンの物性を調べました。トリプトファンは紫外線を吸収するとインドール環 [13] が分解されるため、他のアミノ酸に比べて光に不安定であるという問題があります。軽水素体と重水素体を比較すると、酸による分解速度には大きな差はありませんでしたが、紫外線を照射した場合には光分解速度が明らかに低下していることが分かりました。つまり、重水素化によって光分解が大幅に抑えられることが確認されました(図4)。

  重水素体と非重水素体のトリプトファン結晶構造をX線による構造解析 [14] を用いて比較したところ、結合長や結合角、分子間距離に大きな差は認められませんでした。重水素化はトリプトファンの結晶構造そのものに大きな影響を与えないことが確認されました（図5）。
  まとめると、本研究により「効率的で汎用性の高いアミノ酸の重水素化法を確立」し、「従来は入手困難だった重水素化D体アミノ酸を単離」、「重水素化によるアミノ酸の光安定性の向上」という新しい知見を得られたことになります。

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今後の展望

  本研究では、これまで困難であった側鎖を含めたアミノ酸全体の重水素ラベル化法を確立することができました。これは、基礎研究から応用研究まで幅広く活用できる基盤技術となります。特に、従来高価で入手困難な重水素化アミノ酸を安定供給できることは、創薬研究や中性子散乱実験におけるサンプル調製のコスト削減と利便性向上につながります。
  さらに、今回初めて分離・単離に成功した重水素化D体トリプトファンは、市場では入手困難な化合物であり、今後は医薬品や機能性食品、新素材としての応用が期待されます。同時に、重水素化による光安定性の顕著な向上という性質は、紫外線や外部環境下での劣化を抑制できる点で、バイオマテリアルや製剤開発に有用です。
  今後は、より高い反応性や重水素化位置選択性をもつ触媒、反応条件の探索を進め、熱で分解しやすいアミノ酸や白金族触媒へのダメージが大きい硫黄含有アミノ酸への適用拡大という課題解決を目指します。加えて、ペプチドやタンパク質などの高分子への直接的な重水素導入や、タンパク質への部分的・部位選択的な重水素ラベル化の技術開発にも取り組み、機能性分子の設計や次世代の医薬・材料開発も視野に研究を進めます。

論文詳細情報

各機関の役割

参考文献

  [1] Sawama, Y.; Park, K.; Yamada, T.; Sajiki, H. New gateways to the platinum group metal-catalyzed direct deuterium-labeling method utilizing hydrogen as a catalyst activator. Chem. Pharm. Bull. 2018, 66, 21-28.
  [2] Young, S. N.; aan het Rot, M.; Pinard, G.; Moskowitz, D. S. The Effect of Tryptophan on Quarrelsomeness, Agreeableness, and Mood in Everyday Life. Int. Congr. Ser. 2007, 1304, 133-143.
  [3] Hartmann, E. Effects of L-Tryptophan on Sleepiness and on Sleep. J. Psychiatr. Res. 1982-1983, 17 (2), 107-113.

助成金の情報

  本研究はJSPS科研費（「21K05121」）、及びJAEA旧萌芽研究開発制度の助成を受けました。

本件に関する問合せ先

用語の説明

高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
日本原子力研究開発機構

研究者

代表者：佐賀大学理工学部　教授　鄭旭光、東北大学大学院工学研究科　教授　徐超男（論文共同責任著者）
分担者や協力者：佐賀大学理工学部　山内一宏准教授、筑波大学 数理物質系／エネルギー物質科学研究センター／高等研究院 ホウ化水素研究センター　西堀英治教授、Tomasz Galica助教（当時）、九州大学大学院工学研究院　河江達也准教授、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 ミュオン科学研究系　幸田章宏教授、中村惇平技師

研究成果の概要

  固体中の電子の電荷と、電子が持つ小さな磁石のような性質「スピン」の両方を工学的に利用、応用する「スピントロニクス」^（注1）と呼ばれる分野において「希薄磁性半導体」^（注2）が注目されています。一般的に、強磁性^（注3）などをもたらす交換相互作用^（注4）は隣接原子間距離程度の近接作用に限定されています（金属では伝導電子を媒介した別機構の磁性体の例外が存在する）。一方、相転移のユニバーサル理論であるパーコレーション理論^（注5）は隣とのパス（磁気転移の場合は隣の磁性原子との結合に相当）が高密度に存在しなければ相転移しないと予測しており、量子スピン系の磁気転移でもこのパーコレーション理論が厳密に成立することを研究グループは最近実証しています^（注6）。
  「交換相互作用は近距離に限定される」「隣接する磁性原子同士の結合が高密度に存在しないと磁気転移しない」という磁性理論の常識が、応力発光^（注7）半導体でのスピンドープ強磁性を実現した本研究により打ち破られました。佐賀大学、東北大学、筑波大学、九州大学、高エネルギー加速器研究機構の共同研究グループは、代表的な応力発光物質として知られているEu:SrAl₂O₄において、希薄磁性原子の添加によるスピンドープ強磁性の発現を見出しました（次頁）。通常強磁性を示さない応力発光半導体に新機能を付与したことも応用上興味が持たれます。本成果は、基礎物性物理学への貢献とともに、未踏の力・光・スピントロニクスに道を拓き、エネルギー関連材料の機能革新に大きく寄与するものです。本研究成果を報告した学術論文は2025年7月31日に、Wiley社出版のAdvanced Scienceにオンライン先行出版されました（http://doi.org/10.1002/advs.202509474）。

詳細説明

研究の背景

  一般的に、強磁性などをもたらす交換相互作用は、磁性を担う電子の波動関数が隣の磁性原子の電子の波動関数と重なり合うことで磁気モーメント間に相互作用が生じます。そのため、隣接原子間距離程度の近接作用に限定され、強磁性体となるには高濃度の磁性原子の存在が必要とされています。ところが、1992年に従来の理論に反する画期的な実験報告が大野英男氏（東北大前総長）らによって発表されました【Phys. Rev. Lett. 68 (1992): 2664.】。半導体物質(In,Mn)Asに数パーセントの磁性原子Mnを添加（ドープ）することにより、絶対温度7.5度以下の低温で磁気抵抗に変化が見られたことから、部分的な磁気転移が示唆され、希薄磁性半導体として知られるようになりました。その後、ZnO等の半導体において室温以上での希薄磁性の可能性が提唱され【Science 287 (2000): 1019】、一大ブームを成して今日に至っています。
  しかし、真性半導体^（注8）での希薄磁性の証明は30年以上の長い期間にわたっても達成されていません。希薄磁性の実験報告の殆どは不純物汚染に影響されやすい磁化測定結果をもとになされたものであり、電子顕微鏡などを用いた多くの微細構造研究は外因性不純物汚染の可能性を強く示唆しています^（注9）。そのため、希薄磁性が本当にあるのか、その実在性が物性物理学を中心に強く疑問視されています。
  一方、相転移のユニバーサル理論であるパーコレーション理論は隣とのパス（磁気転移の場合は隣接磁性原子との結合に相当）が高密度に存在しなければ相転移しないと予測しており、量子スピン系の磁気転移でもこのパーコレーション理論が厳密に成立することを研究グループは最近実証しています。
  外因性不純物の影響を払拭するには先端量子ビームを用いた中性子回折^（注10）とミュオンスピン分光^（注11）が有効ですが、今までこれらの高信頼性実験手段による希薄磁性の実証は成功していません。

今回の取り組み

  本研究は、素粒子の1種であるミュオンを利用した応力発光のメカニズム研究において、予期せずに真性希薄磁性を発見しました。ミュオンスピン分光という実験方法はもともと（小さな内部磁場しか作り出さない）希薄磁性の検出に最適な実験手段です。ミュオンのスピン緩和信号の大きさは測定試料中の磁性相の体積分率に比例します。そのため、微量外因性不純物汚染があってもその影響を完全に払拭できます。本研究は、代表的な応力発光物質Eu_xSr_1-xAl₂O₄ (x = 0.2−2%)において、4化学結合原子以上の距離にわたる超長距離磁気カップリング^（注12）の存在を明らかにした上、強磁性相に転移することを発見しました（図1）。更に、光を照射しながら行った磁化測定実験によって希薄磁性の発現機構にポーラロン^（注13）が関わっていることを明らかにしました（図2）。この光照射効果は同時に、光による希薄磁性半導体の制御ができることを示しています。本研究は、希薄磁性の存在を実証した点が高く評価されました。さらに、本研究によって発見された強磁性応力発光半導体では微量の添加希土類原子が同時に発光性と磁性を担うことから、本研究は機械的な力・光・スピントロニクスの相互制御と多元エネルギー変換という未踏技術に道を拓くものとして評価されます。

図1. ミュオンスピン分光によって明らかになった応力発光物質EuxSr1-xAl2O4 (x = 2%)での新規磁気的挙動（横軸は絶対温度、縦軸はミュオンスピン緩和率）。λ、λ₁、λ₂はいずれもミュオンスピン緩和率。温度低下とともに100K以下から強磁性的な磁気相関の発達（つまり磁性原子のスピンを強磁性的にそろえようとする力が働き始める）を示すミュオンスピン緩和率λの上昇が観測され、さらに温度を下げると3K以下で強磁性転移にともなって速いミュオンスピン緩和λ₁（横緩和）と遅いミュオンスピン緩和λ₂（縦緩和）の2成分が観測されるようになります。

図2．応力発光結晶格子において、酸素欠陥にトラップされたポーラロン電子（紫矢印）の働きによって、希薄磁性原子（赤矢印）間に超長距離磁気カップリングが発生。光照射時のポーラロン電子の励起によって磁性を消失させることができ、指タッチのような力の印加によっても磁性の制御が可能と思われます。

今後の展開

  本研究成果は、少数のスピンを希薄ドープすることにより超長距離磁気カップリングが発生し、強磁性が実現されることを初めて明確に実証したものです。基礎物理学への貢献とともに、応力発光半導体でのスピンドープ強磁性実現により、機械的な力・光・スピントロニクスの相互制御と多元エネルギー変換という未踏技術に道を拓きました。現時点での強磁性発現が低温に限られていますが、図1の磁気カップリングがひと桁以上、高い温度まで続いていることから予想できるように、ポーラロン密度を増やす等の構造制御によって転移温度の大幅向上が可能です。量子工学などの研究への波及効果が見込まれ、新しいエネルギー変換デバイスや電子機器の開発への応用が期待されます。

用語解説

論文詳細情報

謝辞

  本研究はJSPS科研費（19H00835, 22H00269, 25H00790, 20K20912, 23K22799, 24H00415, 21H05235）の助成を受けました。また、本研究では、九州大学低温センター、高輝度光科学研究センター大型放射光施設SPring-8（BL02B1、課題番号: 2020A0068, 2024A1003, 2024B1006）、J-PARC物質・生命科学実験施設（MLF）（ミュオンビームラインS1、課題番号：2022B0190, 2023A0209）を利用して測定実験を行いました。また、掲載論文は東北大学「2025年度オープンアクセス推進のためのAPC支援事業」によりOpen Accessとなっています。

問い合わせ先

概要説明

  国立大学法人熊本大学大学院生命科学研究部 (薬学系) の中村照也准教授、同研究室卒業生の平田啓介さん、藤宮佳菜さん、博士前期課程2年の後藤大空さんの研究グループは、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 量子生命科学研究所の玉田太郎プロジェクトディレクター、一般財団法人総合科学研究機構 中性子産業利用推進センターの日下勝弘グループリーダー、ドイツ ミュンヘン工科大学のAndreas Ostermann主任研究員らのグループと共同で、X線と中性子を用いて、がんに関わるヒトの酵素 (MTH1) の高精度の全原子構造を決定し、MTH1の酵素反応過程を時系列に観察しました。その結果、MTH1と基質^a)・阻害剤との結合には、これまで観察の困難であったプロトン (水素原子) が重要な役割を果たしていることを実験的に実証し、従来の研究手法では長年議論にとどまっていたMTH1の酵素反応機構も明らかにしました。MTH1はがんに関わる酵素であるため、本研究は、MTH1の高精度構造を基にした新しい抗がん剤の創出につながることが期待されます。
  本研究成果は、令和7年7月14日の週に米国の科学誌 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) にオンラインで発表されます。本研究は、科学研究費助成事業 (24K01966, 18K06600)、独立行政法人日本学術振興会卓越研究員事業、新学術領域研究事業 (15H01050)、公益財団法人鈴木謙三記念医科学応用研究財団、持田記念医学薬学振興財団、篷庵社、国立研究開発法人日本医療研究開発機構創薬等先端技術支援基盤プラットフォームAMED/BINDS (JP22ama121001) の支援を受けて実施されました。中性子回折実験は、大強度陽子加速器施設 (J-PARC) の物質・生命科学実験施設 (MLF) に設置された茨城県中性子ビームライン (iBIX) の県プロジェクト研究において、また、ミュンヘン工科大学の研究用原子炉 (FRM II) において実施し、X線回折実験は高エネルギー加速器研究機構のPhoton Factoryと大型放射光施設SPring-8にて実施しました。

説明

背景

  生体内で生じる活性酸素種は、遺伝情報を担うDNAだけでなくその材料であるヌクレオチドも酸化します。8-oxo-dGTPは通常のヌクレオチドであるdGTPの酸化体であり、これがDNAに取り込まれるとがんや老化の原因となります。MTH1は8-oxo-dGTPだけでなく2-oxo-dATPなどの他の酸化ヌクレオチドとも結合して分解する酵素であり、細胞内の酸化ヌクレオチド除去酵素として働いています (図1)。一方で、MTH1はがん細胞で高発現し、がん細胞を酸化ストレスから保護していると考えられており、MTH1阻害剤のがん細胞増殖抑制効果が報告されて以降、新規作用機構の抗がん剤ターゲットとしても注目されています (1, 2)。

図1 MTH1による酸化ヌクレオチドの加水分解

  これまでに熊本大学の研究グループは、X線結晶構造解析^b)により8-oxo-dGTP結合型と2-oxo-dATP結合型のMTH1のX線結晶構造をそれぞれ決定しました (3-5)。その結果、MTH1の基質結合ポケットのプロトン (水素原子) の付加/脱離 (プロトン化/脱プロトン化) の状態が、基質や阻害剤との結合に重要であることを提案しましたが、実験的な実証には至っていませんでした (図2)。また、MTH1が8-oxo-dGTPと2-oxo-dATPを加水分解するには、Mg²⁺やMn²⁺イオンとの結合が必須であることが報告されていますが (図1)、MTH1がこれら金属イオンとの結合によって、どのようにヌクレオチドを分解するかという反応過程を観察した例はありませんでした。

図2 これまでに提案していた基質結合
左：8-oxo-dGTP、右：2-oxo-dATP

研究の内容・成果

  X線結晶構造解析では、MTH1構造中の水素原子を観測することは困難であったため、水素原子を高感度で直接観察できる中性子に着目して、中性子結晶構造解析^c)を行いました。8-oxo-dGTP結合型と2-oxo-dATP結合型のMTH1の中性子結晶構造をそれぞれ決定し、8-oxo-dGTP結合および2-oxo-dATP結合に関わる水素原子を高感度で観察することに成功しました (図3)。その結果、MTH1は、119番目のアスパラギン酸 (Asp119) にプロトンが付き (プロトン化)、120番目のアスパラギン酸 (Asp120) にはプロトンが付かない (脱プロトン化) 状態で、8-oxo-dGTPと結合することが明らかになりました。一方、2-oxo-dATPと結合する際には、MTH1のAsp119にプロトンが付かず、Asp120にプロトンが付いた状態であったため、8-oxo-dGTP結合時と比べてプロトン化/脱プロトン化の関係が変化していることがわかりました。この結果は、これまでに報告してきた実験結果からの予測と一致しています (図2)。今回の中性子結晶構造解析によって水素原子を直接観察することで、MTH1はAsp119とAsp120のプロトン化状態を変え、化学構造の異なる8-oxo-dGTPと2-oxo-dATP両者と結合することを実験的に初めて実証し、この仕組みがこれまでに創出されたMTH1阻害剤との結合にも重要であることを示しました。/p>

図3 MTH1の中性子結晶構造解析の結果

  (A) 8-oxo-dGTP結合型の構造。(B) 2-oxo-dATP結合型の構造。基質結合に関わる全原子を表示し、観察された重水素は水色で示している。水色のメッシュは重水素由来の密度マップ。赤矢印はそれぞれプロトン化したAsp119の重水素とプロトン化したAsp120の重水素を示している。

  また研究グループは、時分割X線結晶構造解析^d)という「結晶内の酵素反応を可視化する手法」を確立した経験を活かし (6, 7)、MTH1がMn²⁺イオンの結合とともに8-oxo-dGTPと2-oxo-dATPを加水分解する過程を可視化しました。その結果、MTH1の活性部位 (3つのグルタミン酸Glu52, Glu56, Glu100で構成され、化学反応が進行する部位) に3つのMn²⁺イオンが結合して、水分子が活性化されることで基質のリン原子への求核攻撃が起こり、反応が触媒されることが実験的に実証されました (図4)。反応中のプロトンの位置は観察することができませんでしたが、8-oxo-dGTPおよび2-oxo-dATP結合型の中性子結晶構造のプロトンの位置から、Glu52が水分子のプロトンを引き抜くことで反応が進行することが示唆されました。従来の研究手法の結果からは、MTH1の属する加水分解酵素ファミリーの反応には2つの金属イオンが関与する「2金属イオン機構」と3つの金属イオンが関与する「3金属イオン機構」の2つのモデルが長年にわたって議論されていますが、今回の研究により、MTH1は3金属イオン機構により反応を触媒することが明らかになりました。

図4 MTH1の3つのMn²⁺イオンを介した反応機構

展開

  これまでに世界中の研究グループが、抗がん剤開発を目指して数多くのMTH1阻害剤を合成しています。そのほとんどの阻害剤がMTH1のAsp119とAsp120と結合するため、本研究で得られたMTH1の高精度な構造に基づいた既存の阻害剤の改良や新規阻害剤の設計などが可能になり、新たな抗がん剤の創出につながることが期待されます。

用語解説

引用文献

  1) H. Gad, et al., MTH1 inhibition eradicates cancer by preventing sanitation of the dNTP pool. Nature 508, 215-221 (2014).
  2) K. V. M. Huber, et al., Stereospecific targeting of MTH1 by (S)-crizotinib as an anticancer strategy. Nature 508, 222-227 (2014).
  3) S. Waz, et al., Structural and kinetic studies of the human nudix hydrolase MTH1 reveal the mechanism for its broad substrate specificity. Journal of Biological Chemistry 292, 2785-2794 (2017).
  4) T. Nakamura, et al., X-ray structure analysis of human oxidized nucleotide hydrolase MTH1 using crystals obtained under microgravity. Int. J. Microgravity Sci. Appl. 36, 360103 (2019).
  5) T. Nakamura, et al., Protonation states of Asp residues in the human Nudix hydrolase MTH1 contribute to its broad substrate recognition. FEBS Lett 597, 1770-1778 (2023).
  6) T. Nakamura, Y. Zhao, Y. Yamagata, Y. Hua, W. Yang, Watching DNA polymerase η make a phosphodiester bond. Nature 487, 196-201 (2012).
  7) T. Nakamura and Y. Yamagata, Visualization of mutagenic nucleotide processing by Escherichia coli MutT, a Nudix hydrolase. Proc Natl Acad Sci U S A 119, e2203118119 (2022).

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