概要

  総合科学研究機構（CROSS）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）、近畿大学、東京理科大学、九州大学の共同研究グループは、大強度陽子加速器施設（J-PARC）物質・生命科学実験施設（MLF）^※3 の中性子散乱実験装置を用いて、実際に ECMOの回路内壁コーティングに使用されているポリ（2-メトキシエチルアクリレート）(PMEA)に水和する水の運動状態を調べ、高分子との相互作用により通常の水よりも10倍から100倍遅い水（中間水）が存在することを初めて明らかにしました。また、原子間力顕微鏡（AFM）実験の結果と比較することにより、PMEAのナノメートル（10^-9 メートル）サイズのミクロ相分離構造に対応して、遅い水の運動が空間的に制限されていることが分かりました。この結果により、PMEAにおいて抗血栓性が発現するメカニズムが明らかになりました。
  この発見は、既製品を超える性能を持つ新たな抗血栓性材料を創製するための設計指針を与えるもので、今後の超高齢社会を支える医療技術の躍進のためにも極めて重要な研究成果であり、幅広い展開が期待されます。
  本研究成果は、日本時間2026年6月25日にアメリカ化学会の学術誌The Journal of Physical Chemistry Bに掲載されました。

研究の背景

  体外式膜型人工肺（ECMO）を用いた治療は、コロナウイルス感染症のみならず、重症呼吸器系疾患の生命維持の要として利用されています。しかし、ECMOの利用には血液循環に伴う回路内部での血栓形成により長期間にわたる使用が困難であるという制限があり、医療現場における大きな課題となっています。この問題を解決するためには、長期間の使用に耐えうる優れた抗血栓性を有する新材料の開発が求められています。そのためにはまず抗血栓性の発現要因を明らかにすることが必要です。これまでの研究により、抗血栓性材料と血液成分との界面には特殊な構造の水がバリア層として存在していることが予想されていましたが、その形成メカニズムに関する理解には至っておらず、さらに優れた抗血栓性を示す材料の開発は、経験則に頼らざるを得ないという状況でした。

研究の内容と成果

  共同研究グループは、中性子散乱を用いて抗血栓性高分子PMEAとその表面に吸着している水の運動状態を調べ、抗血栓性の起源となる水分子のバリア層の形成メカニズムの解明に取り組みました。中性子散乱は、分子や分子集団の構造と運動状態を明らかにする実験手法です。その中で中性子準弾性散乱は、水素原子の個々の動きを知ることができる実験手法で、軽水素と重水素^※4 を使い分けることにより、材料とその中に含まれる水のそれぞれの動きを明らかにすることができます。そこで軽水素からなる通常のPMEAに重水を含ませた試料と、重水素化したPMEAに軽水を含ませた試料を用意して、それぞれの中性子準弾性散乱測定を行いました。それにより、PMEAの分子鎖の運動状態と、PMEAに吸着している水の運動状態を、独立に調べました。その結果、PMEAとの相互作用により通常の水よりも10倍から100倍遅い水（中間水）が存在することが明らかになりました。すなわち、PMEAが抗血栓性を発現するための要因と考えられていた中間水の存在を、初めて実証する結果となりました。
  それに加えて、中間水が動いている範囲がナノメートルスケールに限られていること（図）を示しました。これは、以前の原子間力顕微鏡（AFM）を用いた研究で、PMEAと水の相互作用によりミクロ相分離構造が形成されていて、それが中間水の「足場」となっている、という結果に対応しています。

研究の意義と今後の展望

  今回の研究結果により、親水性部分と疎水性部分を持つPMEAで、なぜ中間水が形成されるのかを明らかにする、重要な知見が得られたことになります。これにより、より効果的に中間水を制御できる材料の開発に指針を与え、安全で高性能な医療機器の開発を後押しすることが期待できます。

図 中間水の運動の様子の模式図。狭い範囲に制限された「速い局所拡散」と、やや広い範囲の「遅い局所拡散」、そして制限空間の間を移り変わる「重心拡散」の3種類があり、それらが高分子と水のミクロ相分離構造と関係していることが分かった。

研究支援

  J-PARCの物質・生命科学実験施設における中性子実験は、ビームラインBL02 DNA（課題番号：2020BU0201, 2020B0440）にて実施されました。また、JSPS科研費JP18H05717とJP19H05720、及び「物質・デバイス領域共同研究拠点： 人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンスにおける展開共同研究」の助成を受けています。

各研究機関の役割

  総合科学研究機構：研究計画全体の主導、中性子散乱実験、解析、論文執筆
  高エネルギー加速器研究機構：研究計画策定、試料準備
  近畿大学：試料準備、DSC実験、中性子散乱実験
  東京理科大学：試料準備、DSC実験、中性子散乱実験
  九州大学：研究計画策定、 高分子の設計と合成、試料準備、 DSC実験、論文執筆

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用語解説

図1 水の中でのミュオンの量子の振る舞いのイメージ図。青い球（ミュオン）が水分子の水素と入れ替わって「MuOH」を作ります。氷点下では、このミュオンが周りの水分子（波線）と目に見えない力で結びついています。波線の太さは結びつきの強さを表しています。

120文字サマリー

  ミュオンを氷に打ち込むと水分子の水素のひとつと入れ替わり、特殊な分子「MuOH」を作ります。この中のミュオンのスピンが、周囲の水素の核スピンと量子の波を同調させる「量子コヒーレンス」を起こしていることを発見。長年謎だった氷点下での実験データの信号変化は、これが原因でした。

概要

  氷の中で、新しい量子の働きを発見しました。ミュオンを水に打ち込むと、水分子（H₂O）の水素の1つと入れ替わり、「MuOH」という特殊な分子を作ります。私たちは、このMuOHの中にあるミュオンのスピンが、周りを取り囲む水分子の水素の核スピンと「量子コヒーレンス（量子の波が同調する現象）」を起こしていることを見つけました。氷のミュオン実験のデータで長年謎だった信号の変化は、この相互作用が原因だったのです。

研究グループ

  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構（KEK）・物質構造科学研究所：Amba Datt Pant 研究員、幸田章宏 教授、石田勝彦 研究員、中村惇平 技師、西村昇一郎 特別助教、平石雅俊 研究員、下村浩一郎 特別教授
  ゲッティンゲン大学：Burkhard Geil 教授
  トリブバン大学：Anjan Dahal 研究員, Anup Shrestha 研究員, Hari Shankar Mallik 助教

研究者からひとこと

  KEKのAmba Datt Pant 研究員：数年にわたる集中的な研究の結果、私たちは50年以上にわたって未解明であった水における量子効果を明らかにしました。本成果は、ミュオンを用いた含水材料や生体システムの解明に向けた画期的な第一歩です。

なぜこの研究を始めたのですか

  ミュオンという素粒子のビームは、物質や生命のミクロな性質を調べるための「特別な虫眼鏡」として使われています。タンパク質やDNAの働きなど、生命に関わる現象を調べたり、医療に応用したりすることが期待されています。私たちは現在、J-PARCの強力なミュオンビームを使えば、がんについての研究も可能ではないかと考えています。
  しかしその前に、水やアミノ酸など、生体の基本となる物質についてミュオンで分かることは何なのか、しっかり理解する必要があります。水はどこにでもある物質ですが、温度や圧力によってさまざまな姿を見せます。これまで50年以上にわたり、水の中でのミュオンについて研究が行われてきましたが、そのミクロな仕組みや量子としての振る舞いについて、まだ十分には分かっていませんでした。そこで私たちは、まず一番基本的な「水」から研究を始めました。

ひらめいたところはどこですか

  研究の転換点は、水溶液中の生体試料から得られるミュオン信号の一部が、純粋な水と酷似していることに気づいた時でした。この発見が、複雑な生体システムを解析する前に、まずはその土台となる「水」の基礎研究を優先すべきだという確信につながりました。私たちは幾度もの実験を重ねて結果を徹底的に検証し、その背後にある量子的な挙動を説明する理論モデルを構築しました。

努力したところはどこですか

  最大の挑戦は、長年確立されてきたこの研究分野を、全く新しい視点から捉え直すことでした。私たちは従来の考え方の枠を超え、水や氷の中でのミュオン信号の挙動を真に理解するために、厳密な量子力学的なアプローチを採用する必要がありました。これらの量子相互作用を組み込み、実験データを正確に説明できる理論モデルを構築することは非常に大きな壁でしたが、粘り強い努力の末に、私たちは見事にその難題を乗り越えることができました。

何がわかったのですか

  水にミュオンビームを打ち込むと、水が液体か固体かによって、ミュオンの姿（電荷状態）が変わります。液体の水では、ミュオンが電子を捕まえた「ミュオニウム（水素原子の水素がミュオンになったもの）」や、周りの分子と結びついた状態になります。しかし、氷（凍結水）の中では、ミュオニウムの形が少し歪んだり、「MuOH」という特殊な分子、そして別の種類のミュオンの集まりができることが分かりました。

図2 従来の実験で観測された、水と氷の中でのミュオンの姿の違いを示すイメージ図。

  ミュオンに磁場（20ガウス）をかけてそのスピンの変化を時間を追って測定したデータ（図3）を見ると、液体と氷では明確な違いがあります。液体の水では、コマの首振り運動のようなきれいな波の信号が長く続きます。一方、凍った水では、波がすぐに小さくなり（緩和）、波の周期もわずかにずれる（周波数シフト）ことが分かります。
  50年以上にわたる研究でも、氷の中での波の減少やズレを正確に説明することはできていませんでした。私たちは、MuOH分子の中のミュオンスピンが周りの水分子と「量子力学的な相互作用」をしているというモデルを考えました。この新しいモデルを使うと、無理に数式をいじらなくても、実験データを見事に説明できました。さらに、重水（D₂O）を使った実験でもこのモデルが正しいことが確認され、氷の中でのミュオンの「量子効果」を発見するに至りました。

図3 ミュオンの信号データ。水（赤丸）ではきれいな波が続きますが、氷（黒丸）ではすぐに波が小さくなり、周期のズレが起きています。この変化はミュオンスピンの量子効果として説明できることを解明しました。

それで世界はどう変わりますか

  水は地球上の生命に不可欠なものです。その水の中で起きているミクロな量子の振る舞いを理解することは、生物学や物理学にとって非常に重要です。今回の発見は、科学の基礎となる仕組みを明らかにするものであり、今後さまざまな分野の研究に役立つと期待されます。

謝辞

  本実験は、J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）のプログラム（課題番号 2022B0087, 2023B0217, 2024A0304）で実施されました。また、文部科学省の科学研究費助成事業（科研費 21K15583, 22K05275）の支援を受けています。

論文の情報

問い合わせ先

加速キッチン合同会社
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター

  2026年6月20日（土）〜21日（日）、大強度陽子加速器施設 J-PARC（茨城県東海村）の物質・生命科学実験施設（MLF）ミュオンD1エリアにおいて、加速キッチン合同会社の探究支援を受ける中高生11名が、自ら立案した5つのテーマでミュオンビーム実験に挑み、すべての実験を無事に実施しました。中高生による J-PARC でのビーム実験は、世界初として実施した昨年（2025年5月・4名／3テーマ）に続く2回目で、参加者・テーマともに大きく規模を拡大しての開催となりました。

実験を行うD1ビームラインを見学する中高生

概要

  J-PARC（茨城県東海村）は世界最高クラスの大強度陽子加速器施設であり、中性子・ミュオン・ハドロン・ニュートリノなど多様な量子ビームを生み出しています。これらのビームは、素粒子・原子核物理学から物性物理学、化学、材料科学、生物学まで、幅広い研究に利用されています。加速キッチンは、中高生に簡易的な検出器を提供し、自宅での放射線・宇宙線観測をこれまで300名以上支援してきました。今回は、支援している中高生からミュオンビーム実験の提案を募り、採択された5課題（11名）が6月20日〜21日にD1エリアで実験に臨みました。参加した中高生は、1日目に日本原子力研究開発機構（JAEA）のJRR-3（研究用原子炉）の関連施設を見学し、続いてミュオン科学実験施設（MUSE）のビームラインで見学・実験の準備を進めました。

JRR-3見学	D1ラインで検出器の設置場所を確認する中高生

  2日目には5課題それぞれの提案実験を行い、必要なデータを収集することができました。放射線管理区域内での検出器設置等の作業は放射線業務従事者登録をしている大学生・大学院生スタッフによって行われ、中高生は施設内の会議室から遠隔でデータ収集を行いました。

検出器の動作確認する中高生	D1ラインで装置準備をする学生スタッフ

参加中高生の実験内容

  課題①：ミュオンの速度測定に基づく運動量との関係の考察
  川道かのんさん（名古屋大学教育学部附属高等学校1年）、淺野颯良さん（同 高等学校 3年）
  昨年に続く2年連続の参加です。昨年行った、2台の検出器の間をミュオンが飛ぶ時間（飛行時間）から速度を測定する実験に、計測方法を工夫・改善してより高い精度で挑みました。昨年度のJ-PARCの実験結果は成果発表で高く評価されています。

- ハイスクールラジエーションクラス2025　最優秀賞

https://housyasen-fukyu.com/event/pdf/2025_1.pdf

- パナソニック教育財団　プレゼンテーションコンクール2025　優秀賞

https://www.youtube.com/watch?v=irtyjX13tpo

  課題②：QuarkNet検出器によるミュオンの速度測定
  片岡奈津希さん・中馬ひかりさん・行廣瑞希さん（女子学院高等学校1年）、今野真帆さん・内藤莉子さん（女子学院中学校）
  女子学院中学校・高等学校では、QuarkNet（アメリカ）提供の高速なデータ収集回路を有する検出器を使って、宇宙線の速度を測る実験を校内の天文ドームで行っています。今回のJ-PARCのビーム実験では、この検出システムを用いて決められたエネルギーのミュオン速度測定を行いました。

ミュオンの速度測定を行う課題①と課題②の検出器

  課題③：磁場中でのミュオンの軌道曲率測定による運動量・速度の評価
  入山哉太さん（攻玉社高等学校 2年）
  入山さんは自宅でネオジム磁石と放射線検出器を使って、β線の曲率からのエネルギー推定に取り組んでいます。J-PARCでは、あらかじめエネルギーが定められたミュオンビームを磁石で曲げ、その曲率から運動量と速度を求める実験に挑みました。

  課題④：ミュオン入射角度による検出感度の評価
  濱本夏芽さん（茨城工業高等専門学校 3年）
  濱本さんは自宅で宇宙線と太陽活動の関係を測定しており、この宇宙線観測で用いる検出器の角度による検出感度の評価を、J-PARCのミュオンビームで検証しました。濱本さんは「トビタテ！留学JAPAN」（官民協働海外留学支援制度）の今年度の派遣留学生に選ばれており、複数の国の学校や研究所などに赴いて、宇宙線観測用の検出器の設置や現地でのワークショップを実施する予定です。

ネオジム磁石によるミュオンの偏向を測定するためミュオンビームに垂直な方向にスキャンを行う課題③の検出器と、ミュオンの入射角度による感度を評価するために検出器を回転しながら測定を行う課題④の検出器

  課題⑤：気温が検出器に与える影響
  土屋百花さん（多摩科学技術高等学校 2年）、八反地由奈さん（共立女子高等学校 1年）
  土屋さんは太陽活動と宇宙線の関係を、八反地さんは宇宙線と気象の影響の関係を自宅で観測しています。J-PARCでは検出器を保冷剤やカイロで温度変化させ、センサー温度が検出性能（光センサーSiPMの感度）に与える影響を調べました。

検出器に携帯カイロを用いて高温状態でのミュオン測定を行う課題⑤の検出器

今後の中高生の活動・成果発信

  J-PARCで実験を行った中高生11名はこれからデータ解析を行い、得られた成果を学会や論文などで公表する予定です。

支援スタッフ

  加速キッチン：河野理夏子（名古屋大学 博士課程1年）、中川鈴彩（総合研究大学院大学 5年一貫制博士課程2年）、柳澤祐太郎（東北大学 修士2年）、能勢千鶴（東北大学 博士課程1年）、貫輪美博（東京科学大学 学部2年）、田中香津生（代表）
  高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所（J-PARCセンター物質・生命科学ディビジョン）：梅垣いづみ 助教、西村昇一郎 特別助教
  参考：昨年度の実験
  プレスリリース（2025年5月）：https://j-parc.jp/c/press-release/2025/05/23001516.html

 

用語の説明

大強度陽子加速器施設（J-PARC）
  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茨城県東海村で共同運営している大型研究施設で、素粒子物理学、原子核物理学、物性物理学、化学、材料科学、生物学などの学術的な研究から産業分野への応用研究まで、広範囲の分野での世界最先端の研究が行われています。J-PARC内のMLFでは、世界最高強度のミュオン及び中性子ビームを用いた研究が行われており、世界中から研究者が集まっています。

加速キッチン
  加速キッチンは宇宙・素粒子分野を自分たちの力で探究できる世界をつくることを使命として、理工学系や様々な分野の大学生・大学院生を中心として活動しています。この活動は徐々に広がり現在では世界でも最大の素粒子探究ネットワークとなりました。素粒子を測定してその極小の世界の性質を調べたい中高生のために安価で手軽に使える素粒子検出器を配布し、研究者や様々な市民科学プロジェクトと中高生をつなぎ、世界中の研究者や中高生と共同研究をするきっかけを提供しています。
https://accel-kitchen.com/

ミュオン科学実験施設（MUSE）
  MUSEは、J-PARCのMLF内にある世界最先端のミュオンビーム実験施設です。高強度のミュオンを用いて、物質内部の構造や磁性、超伝導などを非破壊で調べることができ、物性物理や材料科学、生命科学など幅広い分野で利用されています。
https://www2.kek.jp/imss/msl/

本件に関するお問い合わせ先

加速キッチン合同会社

 

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

 

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

  高温超伝導体や強誘電体などの層状酸化物では、結晶構造の層数を変化させるホモロガス系列に従って、キーとなる物性の自在な設計を目指した物質開発が行われてきました。一方、近年注目を集めるトポロジカル量子物質では、そのような体系的な設計指針は確立されていませんでした。
  東北大学金属材料研究所の酒井英明教授（研究開始時：大阪大学大学院理学研究科）、大阪大学大学院理学研究科の山下淳志大学院生（当時）らの研究グループは、ディラック電子を持つ正方格子磁性体において、層数制御が可能なホモロガス系列を実現する物質系を発見しました。今回初めて合成に成功した二層系物質Ce₃Au₄Ge₂Bi₄において、層数を増やすことで磁気秩序が反強磁性からフェリ磁性^（注4）（強磁性的）へと変化するとともに、真空中では許されないほど大きく傾いた特異なディラック電子状態が現れることを実証しました。本成果は、トポロジカル量子物質において「層数」で磁性と電子状態を同時に設計する新しい物質開発法を提示するものであり、次世代量子物質の体系的な創製や新奇量子現象の開拓につながると期待されます。
  本成果は、2026年7月1日正午（米国東部夏時間）に国際学術誌Journal of the American Chemical Societyにオンライン掲載されます。
  なお本成果は、大阪大学大学院理学研究科の水野竜太特任助教（常勤）、越智正之准教授、木田孝則助教、萩原政幸教授、西真輝学部生（当時）、村川寛助教、花咲徳亮教授、神戸市立工業高等専門学校の小島達弘准教授、東京大学物性研究所の齋藤開助教、中島多朗准教授、近藤雅起助教、徳永将史教授、総合科学研究機構の中尾朗子副主任研究員、日本原子力研究開発機構の木俣基研究副主幹との共同研究によるものです。

詳細な説明

研究の背景

  近年、磁性や超伝導などの量子機能に加え、特異なトポロジーによって特徴づけられる電子状態（波動関数）を示すトポロジカル量子物質が、次世代エレクトロニクスや量子計算の新しい基盤材料として注目を集めています。特に、あたかも光速で動く粒子のように運動が記述されるディラック電子を持つ物質は、エネルギー損失の少ない電気・熱伝導が実現できるため、活発に研究が行われています。
  こうしたトポロジカル量子物質の有力な候補として注目されているのが、正方格子を持つ層状物質です。正方格子層ではディラック電子などのトポロジカル電子状態が実現する上、その間に挟まれた層では磁性や超伝導などの多様な量子現象が発現します。このため、両者の相互作用から超低消費電力スピントロニクスなどにつながる新しい量子機能の創出が期待されています。
  これまで、層状構造の機能物質では結晶構造を系統的に設計する指針として、層数を変化させて一連の物質群を生み出すホモロガス系列が知られてきました。高温超伝導体や磁気抵抗物質、強誘電体などで知られる層状酸化物のルドルスデン・ポッパー相はこの好例で、機能を担うペロブスカイト層の数を変えることで、超伝導や磁性などの強相関物性を系統的に制御する物質開発が進められてきました（図1）。しかし、トポロジカル量子物質においては、このように層数を設計パラメータとして物性を操るための明確な指針は、これまで確立されていませんでした。

今回の取り組み

  研究グループは、正方格子トポロジカル量子物質において、正方格子層の間に挟まれた四面体層の数に着目しました。従来知られていた正方格子磁性体 CeAuBi₂ は四面体層が一層（n=1）で構成されています。これに対し、研究グループは、四面体層を二層持つ新物質 Ce₃Au₄Ge₂Bi₄（n=2）の合成に世界で初めて成功しました。その極限構造である CeAu₂Ge₂ は四面体層の無限層構造（n=∞）として実在しており、二層の新構造は、両者をつなぐ中間構造とみなせます（図1）。このように、正方格子物質において層数を設計パラメータとする新しいホモロガス系列が実現できることを発見しました。
  さらに、研究用原子炉JRR-3と大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設（MLF）を相補的に利用した中性子散乱測定により、磁気構造を詳細に調べた結果、従来の一層系物質で見られる反強磁性秩序とは異なり、Ce₃Au₄Ge₂Bi₄では自発磁化を持つフェリ磁性秩序が現れることを明らかにしました（図2）。また、理論計算と強磁場測定から、層数の増加によってディラック電子状態が大きく変形し、本来の相対性理論（真空中の物理）では許されないほど傾いた「タイプIIディラック電子状態」が形成されることを見出しました（図2）。
  これらの結果は、正方格子トポロジカル量子物質において、層数を変えることで磁性とトポロジカル電子状態を同時に制御できることを初めて実証するものです。

今後の展開

  本研究で見いだしたホモロガス系列は、これまで個別物質の探索が中心であったトポロジカル量子物質の開発において、基本ブロックを保ったまま「層数」を変えることで磁性と電子状態を同時に設計できるという、体系的な物質開発の枠組みを提示する成果といえます。この設計原理を応用し、元素置換などを組み合わせることで、より幅広い物質群の開拓が可能になります。これにより、次世代量子技術の基盤となる新材料の開発を加速・拡大することで、これまで予想されていなかった新奇量子現象や革新的な量子機能の発見につながると期待されます。

図1. 高温超伝導体などの開発を支えてきたホモロガス系列の設計法を、トポロジカル量子物質へ拡張。 上段は強相関物性を示す層状酸化物のルドルスデン・ポッパー相、下段は本研究で発見した正方格子物質のホモロガス系列を示す。今回発見した二層系物質 Ce₃Au₄Ge₂Bi₄（下段中央の構造）は、一層系の HfCuSi₂ 型構造と無限層系の ThCr₂Si₂ 型構造をつなぐ中間構造に相当する。

図2. 層数による磁性とトポロジカル電子状態の同時設計。 今回発見した二層系物質 Ce₃Au₄Ge₂Bi₄ では、四面体層の数を増やすことで磁気秩序が反強磁性からフェリ磁性（強磁性的）へと変化するとともに、ディラック電子状態が大きく変形する。その結果、本来の相対性理論（真空中の物理）では許されない、円錐の形が限界を超えて真横に倒れ込むほど傾いた「タイプII」という極めて異例な状態となる。

謝辞

  本研究は、JSPS科研費（JP22H00109, JP22K18689, JP23H00268, JP23H04862, JP25K08457, JP26H02017）、旭硝子財団、Spin-RNJ、JST FOREST (JPMJFR212P) の支援を受けて実施されました。中性子散乱実験は、研究用原子炉JRR-3に設置された5G-PONTA（課題番号24519, 25510）、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BL18「千手」（課題番号2025A0219）において実施されました。また、掲載論文は『東北大学 2026 年度オープンアクセ ス推進のための APC 支援事業』の支援を受け Open Access となっています。

用語説明

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概要

  磁気モーメントがらせん状に整列したらせん磁性体は、巻き方（右巻き・左巻き）の自由度を持ち、これを "0" と "1"に対応させた新しい磁気メモリへの応用が期待されています。制御した巻き方はこれまで、巨視的な実験手法である電気伝導測定によって、間接的に観測されていました。
  東北大学金属材料研究所の増田英俊講師、柳澤祐太郎大学院生、小野瀬佳文教授、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、京都大学複合原子力科学研究所の南部雄亮特定教授、慶應義塾大学理工学部の新居陽一准教授の研究グループは、スピン偏極中性子散乱実験を行うことでらせん磁性の巻き方を直接観測し、巻き方が試料体積全体の90%以上（最大99%）の高い精度で制御できることを明らかにしました。本研究成果は、らせん磁性体を用いた新型磁気メモリの実現に向け、重要な基盤となることが期待されます。
  本研究成果は 2026 年 6月16日（米国時間）に米国科学アカデミー紀要(PNAS：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) に掲載されました。

詳細な説明

研究の背景

  スピントロニクス^（注4）は、物質が持つ磁気的な性質をエレクトロニクスに活用することで、高機能かつ低消費エネルギー動作が可能なデバイスの開拓を目指す分野で、ハードディスクの読み取りヘッドや磁気ランダムアクセスメモリが代表例です。従来のスピントロニクス素子は磁石（強磁性体）を用いますが、磁石は周囲に磁場をつくって周囲の磁石と相互作用するためにビット間の干渉を起こし、高集積化には限界があると指摘されています。このため、磁化を持たず周囲に磁場をつくらない磁性体によるスピントロニクスの試みが盛んになっています。
  このような新たな磁性体のひとつがらせん磁性体です。らせん磁性体では原子が持つ磁気モーメントがらせん状に整列し、らせんの巻き方（右巻き・左巻き）の自由度を持ちます（図1）。右巻き・左巻きを"0"・"1"に割り当て、これを電気的に制御することで情報の書き込みを行うことができます。最近の研究で、金属らせん磁性体に電流と磁場を同時に印加することで巻き方を制御する試みがなされ、巨視的な電気伝導現象の測定から「制御できている」という示唆は得られていました。しかし、これは間接的な測定手法であり、巻き方制御の決定的な証明はなされていませんでした。
  らせん磁性の巻き方を直接的に観測するには、スピン偏極中性子散乱が有用です。中性子が持つスピンが、らせん磁性を形作る原子の磁気モーメントと相互作用することで、らせんの巻き方を微視的かつ直接的に観測することができます。

今回の取り組み

  今回の研究では、室温でも安定ならせん磁性体であるYMn6Sn6に着目し、中性子散乱実験が可能な大型単結晶試料に、独自に開発した実験セットアップを用いて大電流と強磁場を印加することで、らせん磁性の巻き方を制御した試料を用意しました（図2）。この試料を中性子実験施設に持ち込み、スピン偏極中性子散乱実験を実施しました。
  実験の結果、入射中性子のスピンに応じて、中性子散乱強度が大きく異なる結果を観測しました（図3）。これは試料体積全体の90%以上（最大99%）が片方の巻き方に揃えられていることを示します。さらに巻き方制御に用いる電流と磁場を反転させた試料でも測定を行い、巻き方を「右巻き」「左巻き」のいずれか一方の状態へと高い精度で制御できることを実証しました。

今後の展開

  本研究では、らせん磁性金属が持つ巻き方が電流と磁場によって制御できることを、微視的なプローブであるスピン偏極中性子散乱を用いることで、直接的に実証しました。これによって巻き方制御の微視的機構に対する理解が進み、らせん磁性体を用いたスピントロニクスの発展に向けて重要な基盤となることが期待されます。

図1 らせん磁性体の巻き方制御。原子が持つ磁気モーメントがらせん状に整列しており、 右巻き・左巻きの巻き方の自由度が生じる。電流と磁場を同時に印加すると左巻きまたは右巻きに揃えることができる。らせん磁性メモリではこれらを"0"と"1"に割り当てる。

図2 らせん磁性の巻き方制御に用いた実験セットアップ。

図3 スピン偏極中性子散乱の測定結果。互いに並行な電流と磁場を印加した試料Aで測定した。試料全体の98%が左巻きに揃っていることが分かった。

謝辞

  本研究はJSPS科研費（課題番号：JP22H05145, JP23K13654, JP24H01638, JP24H00189, JP24K00572, JP25K01489, JP26H00621）、JSTさきがけ（課題番号：JPMJPR245A）、JST創発（課題番号：JPMJFR202V）の支援を受けて実施されました。スピン偏極中性子散乱実験は、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　BL15「大観」(課題番号2024B0119) において実施しました。

用語説明

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概要

  地球の中心にある核は、主に鉄でできていますが、その密度は純粋な鉄よりも低いことが知られています。これは、核の中に鉄より軽い元素が混ざっているためであり、その候補のひとつとして「水素」が考えられています。これは、水素は宇宙に豊富に存在し、高圧下では鉄と結びつきやすい性質を持つためです。地球の核にどれだけ水素が含まれているかを知ることは、地球の成り立ちを理解するうえで非常に重要です。
  東北大学大学院理学研究科の高橋直生大学院生、坂巻竜也助教らの研究グループは、大強度陽子加速器施設J-PARC物質・生命科学実験施設（MLF）の超高圧中性子回折装置「PLANET」を用いた中性子実験により、高温高圧下で液体鉄に溶け込む水素の量を世界で初めて直接的に決定することに成功しました。本研究は、地球の核がどのように形成され、どのような化学組成を持つのかという長年の謎に対し、新たな手法で強力な証拠を提供したものです。
本研究成果は、日本時間2026年5月11日18時に英国の国際学術誌「Scientific Reports」にオンライン掲載されました。

詳細な説明

研究の背景

  地球の中心にある核は主に鉄でできていますが、その密度は高温高圧下の純粋な鉄よりも低いことが知られています。この密度不足の原因として、鉄より軽い元素が混ざっていると考えられており、その有力候補のひとつが「水素」です。これは、水素は宇宙に非常に多く存在し、また高い圧力のもとでは鉄に溶け込みやすくなるためです。
  地球の核にどれだけ水素が含まれているかを知ることは、地球の成り立ちを理解するうえで重要です。しかし、水素は高圧下でしか鉄に溶け込まないため、圧力を下げるとすぐに逃げてしまい、常温常圧下でその量を調べることができないために、液体の鉄に含まれる水素の量を直接測ることはこれまで困難でした。

研究の内容

  今回の研究では、J-PARC MLFの超高圧中性子回折装置「PLANET」において、中性子イメージングという手法を用い、水素が溶け込んだ液体鉄（FeHx）を高圧・高温条件下で観察することで、液体鉄に含まれる水素の量を世界で初めて直接的に決定することに成功しました（図1）。
  実験では、圧力3.4 GPa（3万4千気圧）・温度1400 K (1127℃)という条件で水素が溶け込んだ液体鉄を作り、中性子の吸収量から鉄に含まれる水素量を精密に計算しました。その結果、液体鉄には 重量濃度で0.17 %（0.17wt.%）の水素が溶け込んでいることが明らかになりました。
  地球が形成される初期には、無数の微惑星や隕石の衝突、温室効果による高温化によって地表が溶けた「マグマオーシャン^（注1）」が存在していたと考えられています。このとき、鉄の液滴はマグマの中を沈みながら周囲の物質と反応し、最終的に地球の中心へと集まって核を形成しました。最近の研究では、原始地球が太陽系の水素に富んだガスを取り込み、マグマオーシャンに大量の水素が溶け込んでいた可能性が指摘されています。今回の結果は、そのような環境で液体鉄が大量の水素を取り込みながら中心へ沈んでいったことを裏付けるものです。
  今回得られた水素の溶解量をもとに、地球の核にどれだけの水素が含まれているか推定したところ、外核には現在の海洋 (H₂O) の水素の70〜85倍、内核には1.9〜2.7倍が含まれうることが分かりました。これは、水素が外核の密度不足の半分以上を説明できる可能性があることを意味します（図2）。
  地球の核がどのように形成され、どのような化学組成を持つのかは、地球科学の大きな未解決問題のひとつです。今回の研究は、1) 液体鉄に溶け込む水素量を初めて直接的に決定、2) 核形成時に水素がどれだけ取り込まれたかを定量的に推定、3) 外核の密度が低い理由の主要因を説明し得る、という3点で、地球の内部構造の理解を大きく前進させる成果です。

今後の展開

  本研究は、液体鉄でできた地球の外核にどれだけの水素が存在するかという長年の問題に対し、直接的な実験方法で制約を与えました。さらに地球内部の水素循環の理解や他の惑星の核形成プロセスの理解など、幅広い分野へ影響を与える成果です。今後は、より高圧条件下での測定や、水素以外の軽元素との共存効果の解明が期待されます。

謝辞

  本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費（課題番号 JP21K18641、JP23K22588、JP24K21563）、J-PARC の物質・生命科学実験施設（MLF）のBL11 PLANETにおけるユーザープログラム（課題番号 2022B0025、2023A0146、2024A0125）の支援を受けて実施されました。

図1. 中性子イメージング実験の結果
（左）試料セルの中性子透過像。セルの中央に鉄試料(Fe)を配置し、水素源であるアンモニアボラン(NH₃BH₃)で挟んでいる。加熱に伴いアンモニアボランから放出された水素が鉄中に溶け込むことで、鉄の中性子透過度が減少する様子が確認できる。（右）中性子透過度の温度変化。常圧で安定な体心立方構造の鉄 が水素化して 面心立方構造のFeHx へ相転移すると、透過度は急激に減少する（緑→赤）。その後、水素化鉄が溶融すると、透過度はわずかに増加する傾向を示す（橙→紫）。

図2. 地球の核形成モデルの概略図
微惑星の衝突・合体を経て原始地球が形成された際、衝突エネルギーによって地表は大規模に溶融し、マグマオーシャンが形成された。マグマオーシャン中では鉄と珪酸塩が分離し、密度の大きい鉄が地球中心へ沈降することで核が形成された。こうした分化過程を経て、現在の地球には地殻・上部マントル・マントル遷移層・下部マントル・外核・内核といった層構造が確立している。 マグマオーシャン底部の温度・圧力条件を仮定し、水素溶解度モデルを適用すると、液体鉄には 0.59-0.70 wt.%の水素が溶解すると推定される。これは 現在の海洋に含まれる水素量の72-87倍の量に相当し、液体鉄への水素溶解を通じて大量の水素が核へ輸送されたことを示唆している。この水素量を核全体に適用し、鉄に対する水素の固相―液相分配係数を考慮すると、外核には0.60-0.72 wt.%、内核は0.30-0.44 wt.%の水素が存在すると見積もられる。今回推定された外核の水素量は、外核の密度不足の約 6-7 割を説明し得ることが示唆される。

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概要

  近年、エネルギー効率の向上と温室効果ガス排出削減に向け、固体材料を用いた次世代冷却技術が注目されています。中でも、力により生じる金属材料の状態変化（相変態）に伴う潜熱を利用する弾性熱量効果は、有望な冷却方式とされています。
  東北大学学際科学フロンティア研究所の許勝助教らの研究グループは、Ti-Al-Cr系超弾性合金^（注2）において、−171 ℃から+129 ℃（温度幅300 ℃）という極めて広い温度域での冷却応答を実証しました。この温度範囲は、従来のクラウジウス―クラペイロン関係^（注3）に基づく予測を大きく上回るものであり、相変態熱力学の従来理解に新たな視点を与える成果です。さらに、単一材料で極低温から室温以上まで対応可能な高効率・低環境負荷型冷却技術の実現に道を開くものです。
  本研究成果は、科学誌Nature Communicationsに2026年4月27日付で掲載されました。

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研究の背景

  現在、エアコンや冷蔵庫などで広く用いられている冷却技術（蒸気圧縮式）は、高いエネルギー消費と温室効果ガス排出という課題を抱えています。その代替技術として、固体の相変態を利用するカロリック冷却技術が注目されています。弾性熱量効果はその中でも特に高効率が期待される手法で、応力の印加や除荷で生じる相変態に伴うエントロピー変化（ΔS）^（注4）が大きいほど冷却能力が高くなります。一方「大きなΔSを持つ材料は温度動作範囲が狭く」、逆に「広い温度動作範囲を持つ材料はΔSが小さい」というトレードオフが存在し、材料開発における制約となってきました。この関係は、クラウジウス―クラペイロン関係と呼ばれる応力と温度の関係によって理解されてきました。

今回の取り組み

  今回、研究グループは、2025年に開発したTi-Al-Cr超弾性合金（図1）を用い、極低温から高温に至る広い温度範囲において、機械特性および弾性熱量効果の詳細な評価を行いました。まず、圧縮試験を広い温度域で実施した結果、−196 ℃から+187 ℃にわたる極めて広い温度範囲において、明瞭な超弾性特性が発現することを確認しました（図2）。各温度における応力-ひずみ曲線で示される通り、応力により変形を与えたTi-Al-Cr系超弾性合金が、応力を除くとほぼ元の形に戻る超弾性を示しました。この現象は、応力により生じる相変態が可逆性を持つことを示しています。また、中性子単結晶構造解析装置（SENJU）を用いたその場観察より、この相変態に伴う結晶構造の変化を直接確認しました。さらに、超弾性に伴う弾性熱量効果を直接評価するため、急速に応力を解放した際の試料温度変化（断熱温度変化）を測定しました。その結果、−171 ℃から+129 ℃の広い温度範囲において、除荷に伴う吸熱反応（冷却効果）が確認されました（図3）。特に室温付近では、約−10 ℃に達する顕著な温度低下が観測され、実用冷却材料としても有望な性能を示しました。これらの結果は、本合金が「広い温度範囲」と「実用的な冷却能力」を同時に満たす稀な特性を有することを示しており、従来の設計指針を拡張する重要な知見となります。

図1. 本研究で使用したTi-Al-Cr超弾性合金（Y. Song, S. Xu et al. Nature 638, 965-971, 2025）

図2. Ti-Al-Cr超弾性合金の各温度における圧縮応力-ひずみ曲線。−269 ℃から+227 ℃にわたる広い温度範囲で測定を行い、+187 ℃以下では応力を解放すると元の形に戻る「超弾性」と呼ばれる性質が確認された。

図3. Ti-Al-Cr超弾性合金における断熱温度変化（ΔT_ad）の温度依存性。各温度で急速に応力を解放した際における試料の温度変化を示す。−171 ℃から+129 ℃の範囲では吸熱反応に伴う温度低下（冷却効果）が観測され、室温では約−10 ℃の温度変化が得られた。+129 ℃以上では、残留変形が生じやすくなる傾向があるため、測定は行わなかった。

今後の展開

  本研究で明らかになったTi-Al-Cr合金の弾性熱量特性は、従来のクラウジウス―クラペイロン関係に基づく設計指針では想定されていなかった広い温度域で得られ、弾性熱量材料の新たな設計概念を提示するものです。特に、超弾性応力の温度依存性の抑制により、温度範囲と冷却能力のトレードオフを緩和できることが示され、今後の材料設計において重要な指針になると考えられます。
  本材料が示した冷却動作温度範囲は−171 ℃から+129 ℃に及び、低温領域を含む広温度域での熱制御材料として、宇宙分野を含む幅広い応用が期待されます。特に、広い温度域での冷却に対して、従来材料では複数材料の組み合わせが必要であったのに対して、単一材料で対応可能となる点は、冷却システムの簡素化や高効率化の観点から重要です。
  一方で、本研究で得られた特性を実用化へと展開するためには、繰返し変形に対する耐久性やエネルギー損失の低減、加工性および形状制御といった課題の克服が必要です。特に材料の変形中に生じるエネルギーの損失は冷却効率に直接影響するため、その抑制は今後の重要な研究課題となります。
  今後研究グループは、組成設計および微細構造制御を通じて上記の課題の解決を図ります。さらに、デバイス応用を見据えた材料設計および冷却システムとしての実証研究を進めることで、広い温度域で動作する固体冷却技術の実現を目指します。

用語説明

謝辞

  本研究は、環境省・（独）環境再生保全機構の環境研究総合推進費（JPMEERF20252RA2）により実施されました。また本研究の一部は、JSPS科学研究費助成事業（21K18179, 23K23070, 24K01190, 24KK0264, 25K23519）の支援を受けて行われました。中性子回折実験はJ-PARC 物質・生命科学実験施設の一般利用課題により中性子単結晶構造解析装置SENJUにて実施されました（2022B0155）。本論文は東北大学 2026 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。

論文の情報

各機関の役割

  東北大学：発案および研究全般。試料作製、機械特性および弾性熱量効果評価、データ解析、論文執筆。
  日本原子力研究開発機構、J-PARCセンター、総合科学研究機構：機械試験中のその場中性子回折実験。

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µCF反応過程におけるミュオン分子とミュオン原子からのX線放出のイメージ
本研究で明らかとなった共鳴状態を経由する経路（手前）と従来想定されてきた経路（奥）を示す。手前では2つの重水素原子核（d）とミュオン（µ）からなるミュオン分子の共鳴状態（ddµ^*）から、奥ではミュオン原子（dµ）からX線がそれぞれ放出されている。観測結果は、共鳴状態を経由する経路がµCFにおいて主要な役割を果たすことを実証した。

発表内容

  中部大学ミュオン理工学研究センターの外山裕一特任助教と岡田信二教授、東北大学大学院理学研究科化学専攻の山下琢磨准教授と木野康志教授らを中心とする国際共同研究グループは、ミュオンを媒介とするµCFの反応率を左右するミュオン分子の共鳴状態を、極低温検出器を用いた高分解能X線分光により世界で初めて直接観測することに成功しました。さらに量子状態ごとの存在比を定量的に同定しました。これまで不明確であったミュオン分子生成過程の実像が明らかとなり、長年にわたる理論と実験の不一致を解消しました。本成果は、量子状態を区別して理解できる段階までµCF研究を深化させるとともに、将来的なエネルギー源として期待されるµCFの高効率化に向けた基盤を大きく前進させるものです。
  現在、水素原子核同士を融合させる核融合（フュージョン）の実用化を目指した研究が世界各地で行われています。フュージョン発電は、原理的に暴走事故が起こらず安全性が高いことに加え、燃料となる水素は海水から得られ、発電時に二酸化炭素を排出しないという利点があります。
  フュージョンを起こすには、極めて高い温度でプラズマを生成し磁場で閉じ込める方法や、レーザーによって燃料を瞬間的に圧縮して高温・高密度のプラズマを実現する方法が用いられます。これに対しµCFでは、水素分子の中の電子をミュオンに置換し、200分の1程度の小さなミュオン水素分子を作ります。このミュオン分子の中では、原子核同士が極めて近距離に閉じ込められることにより、プラズマを用いず常温でも核融合を起こすことができます。µCFを効率よく起こすためには、ミュオン原子やミュオン分子を速やかに生成することが重要です。しかし、このミュオン分子生成に至る原子・分子の反応過程については、長年にわたり理論と実験の間に不一致があり、ミュオン分子の共鳴状態の役割も未解明でした。
  最近の理論研究により、共鳴状態を含む反応経路により、理論と実験の不一致を解決する可能性が、東北大の木野教授と山下准教授らによる精密な理論研究により定量的に示され、共鳴状態の生成を示す特徴的なX線スペクトルが予測されていました。本研究では、従来の半導体検出器に比べて10倍以上優れたエネルギー分解能をもつ超伝導転移端センサー（TES）マイクロカロリメータ^（注４）（以下、TES検出器と略記、米国国立標準技術研究所（NIST）により製作）を用いることで、ミュオン分子とミュオン原子に由来するX線成分を分離して検出することに成功しました（図1）。さらに、観測されたスペクトルを高精度理論計算と比較することにより、共鳴状態にある２個の重水素原子核（d）とミュオン（µ）からなるミュオン分子（ddµ^*）の振動量子状態を同定し、存在比を定量的に評価することに成功しました。
  この定量的同定の結果、これまで考慮されてこなかった共鳴状態を経由する反応経路が、µCFにおいて主要な分子生成過程としての役割を果たしていることを実証しました。さらに、µCFの律速過程であるミュオン分子生成反応を回避し、核融合を起こす状態に直接遷移する「ファストトラック」の存在を示唆する結果も得られました。これらの結果は、理論予測とも整合的であることが確認されました。
  本成果は、TES検出器による高分解能X線分光を通じて、µCF研究の根幹に関わる、反応率の理論と実験の不一致という未解決問題を解決し、µCF研究にブレークスルーをもたらしました。ミュオン分子を量子状態レベルで直接観測・同定できる段階に到達したことで、µCF研究は、不明確な理論モデルに依存した段階から、量子状態に基づく反応過程を精密実験により検証できる新たな段階へと大きく前進しました。研究成果の内容は、米国東部時間４月15日（水）、午後２時（日本時間４月16日（木）、午前３時）に、米国科学振興協会（AAAS）が発行する科学誌Scienceの姉妹紙であるScience Advancesに掲載されました。
  今後は、本手法を重水素と三重水素の混合系など、より高効率な反応系へと展開することで、µCFの反応サイクルの全体像の解明や、エネルギー生産への応用に向けた研究のさらなる進展が期待されます。
  本成果は、科学技術振興機構（JST）が推進する内閣府のムーンショット型研究開発事業（目標10）^（注５）のもとで推進される高効率ミュオン触媒核融合の実現に向けた研究において、今後の展開を方向づける重要な科学的基盤を構成するものです。本研究で確立した高分解能X線分光技術と、共鳴状態の物理学的役割を明らかにした知見により、µCF高効率化に向けた研究戦略に明確な指針を与えるとともに、「革新的ミュオン触媒フュージョン技術の社会実装」に向けた研究開発を一層加速することが期待されます。

図1 ミュオン分子の共鳴状態の直接観測
従来型検出器では識別が困難であったミュオン分子の共鳴状態に由来するX線スペクトル構造を、TES検出器による高分解能X線分光によりミュオン原子（dµ）に由来するX線成分と明確に分離し、観測することに成功した。得られたスペクトルは理論計算と良く一致しており、ミュオン重水素分子の共鳴状態（ddμ^*）を振動の量子状態レベルで同定できたことを示している。この結果は、μCFにおける分子生成過程を量子状態ごとに定量的に解析・検証するための基盤となる。 （Y. Toyama et al., Science Advances（2026）より改変）

研究成果のポイントまとめ

   ✣ ミュオン触媒核融合（µCF）において分子生成過程解明の決め手となるミュオン分子の共鳴状態を世界で初めて直接観測
   ✣ TES検出器による高分解能X線分光により、ミュオン分子を量子状態ごとに分離・定量観測する手法を確立
   ✣ 共鳴状態を経由する反応経路が主要な分子生成過程として機能していることを定量的に実証し、µCFにおける反応率の理論と実験の不一致を解消
   ✣ 律速過程を回避するファストトラックを含む遷移を観測し、µCF反応の理解・検証を可能とする新たな枠組みを提示
   ✣ µCFの高効率化に向けた基盤的理解を大きく進展

本研究成果の共同プレスリリース参加機関および代表者

  中部大学　岡田信二 教授
  東北大学　木野康志 教授
  高エネルギー加速器研究機構・J-PARCセンター　Patrick Strasser 教授
  理化学研究所　橋本直 理研ECL研究チームリーダー
  東京都立大学　奥村拓馬 准教授
  立教大学　山田真也 准教授
  高エネルギー加速器研究機構量子場計測システム国際拠点　東俊行 特任教授
  東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構　高橋忠幸 特任教授
  自然科学研究機構核融合科学研究所　岡田信二 特任教授（兼任）

研究助成

   ✣ 本研究の一部は、以下の研究助成を受けて行われました。
   ✣ 日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金（JP18H05457, JP18H05463, JP18H05458, JP18H05461, JP24K00549, JP18H03714, JP23H00120, JP23H03660, JP20K15238, JP24K06911, JP23K13130）
   ✣ 核融合科学研究所 共同研究課題（NIFS23KIIF031, NIFS23KIIF032）
   ✣ HPCIシステム利用研究課題（hp240146, hp250118）
   ✣ JSTムーンショット型研究開発事業（JPMJMS25A4）
   ✣ 高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 ミュオン共同利用実験課題（2019MS01）

論文の情報

用語解説

（出典：AIによる生成）

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  1. 工学院大学（学長：今村 保忠、所在地：東京都新宿区／八王子市）と物質・材料研究機構（理事長：宝野 和博、所在地：茨城県つくば市、以下「NIMS」）を中心とする研究チームは、京都大学、名古屋大学、日本電子株式会社、東北大学、島根大学、岡本硝子株式会社をはじめ、国内複数機関との共同研究により、従来「ガラスにならない」と考えられてきた単一成分酸化物である酸化アルミニウム（Al₂O₃、アルミナ）について、室温の高圧プロセスにより、ミリメートルサイズの透明な非晶質（アモルファス）の塊（バルク）を合成することに成功しました。得られた試料が、高い熱伝導率や硬さを示すことに加え、誘電率が約11.3と、代表的な結晶相であるα‐Al₂O₃（サファイア）の誘電率（約10）を上回ることを示しました。
  2. アルミナは化学的安定性や絶縁性に優れることから、電子材料やコーティングなどで広く用いられ、産業分野を支えている基幹材料です。一方で、ガラス科学の観点ではアルミナはガラス形成能を持たず、通常の溶融法ではガラス状態のアルミナ（非晶質アルミナ）を塊として得ることができませんでした。
  3. 今回、研究チームは、電気化学的に作製した多孔質非晶質アルミナ薄膜（アルマイト）に対して、室温で高圧（9.4 GPa：9万4千気圧）を印加することで、粒子界面や孔を消失させ、透明なバルク体へと一体化させました。固体核磁気共鳴分光、放射光X線回折、中性子回折、構造モデリングを組み合わせた解析により、非晶質アルミナの主要構造単位が、八面体から酸素頂点が一つ欠けたような5配位ピラミッド（AlO₅）であること、加圧によってAlO₅の変形とAlO₆八面体の増加が進み、両者が稜共有で連結した、通常の非晶質には見られない高密度な構造が形成されることを明らかにしました。これにより、電場に対して応答しやすい局所構造が形成され、高い誘電率の発現につながるというモデルを提案しました。
  4. 本研究で示した「高圧力で、原子の配位環境（短距離構造）とその連結性（中距離構造）を制御し、物性を引き上げる」概念は、一般化できる可能性が高く、今後、誘電特性に加えて熱・機械特性を含む総合的な設計指針の確立を目指します。

図 本研究で合成した透明バルク非晶質アルミナの誘電率と構造

  5. 本研究成果は、2026年4月7日に米国化学会「Journal of the American Chemical Society」に掲載されます。

研究の背景

  酸化アルミニウム（Al₂O₃、アルミナ）は、高強度、化学安定性、耐摩耗性、耐食性、電気絶縁性などの優れた物性を併せ持ち、セラミックス基板、半導体製造装置部品、自動車排ガス触媒、工業用研磨材、耐火材などの幅広い産業分野で利用されています。アルミナの多くは原子が規則正しく配列した結晶ですが、一部は原子配列に規則性を持たない非晶質（アモルファス）^（1）のアルミナです。アルミニウム金属を電気化学的に酸化すると薄膜状の多孔質非晶質アルミナが得られ、電子部品、コーティング材などとして利用されています。身近な日用品（やかん、鍋、弁当箱など）の表面にも耐食・耐久性向上を目的に非晶質アルミナ膜が形成されています（アルマイト処理）。一方、代表的な非晶質材料といえばガラス^（2）（窓ガラスのような厚みのある塊（バルク）状態の非晶質物質）ですが、アルミナは古くから「ガラスにならない酸化物」とされ、従来の溶融法ではガラスを作ることはできません。そのため、非晶質アルミナの研究は薄膜・多孔体・ナノ粒子に限定され、緻密なバルク非晶質アルミナを合成することはできませんでした。

研究内容と成果

  本研究では、電気化学的に作製した多孔質非晶質アルミナ薄膜に対して、室温で高圧力を印加し（高圧合成^（3））、粒子界面および孔を消失させることで、ミリメートルサイズの緻密なバルク非晶質アルミナを合成しました。ダイヤモンドアンビルセルによるその場観察では、加圧に伴う粒子の粉砕・再配列と、一定圧力以上での粒子境界の消失が確認され、さらにベルト型高圧装置を用いて室温で高圧（9.4 GPa：9万4千気圧）を印加することによりバルク試料の合成に成功しました（図1）。
  得られたバルク非晶質アルミナは、加圧による密度の上昇に加えて、ガラス状材料としては高い熱伝導率と硬さを示しました。さらに、誘電率（比誘電率）^（4）が約11.3と高い値を示し、結晶のα‐Al₂O₃（サファイア）を上回りました（図2）。誘電率の周波数依存性は小さく、室温付近では誘電損失（tanδ）が低いことから、高密度化により高速な分極応答が高められていることが示唆されました。
  物性の起源となる構造を明らかにするため、²⁷Al 固体核磁気共鳴分光法（NMR）、量子ビーム回折^（5）（大型放射光施設SPring-8（BL04B2）の放射光X線回折およびJ-PARC・MLF（BL21）の中性子回折）を用いた実験と、回折データとNMRで得られた配位数^（6）の比率を同時に再現する構造モデリングを実施しました。その結果、非晶質アルミナの主要構造単位が、一般的なガラスに見られる四面体（AlO4）や結晶に見られる八面体（AlO₆）に加えて、「八面体から酸素頂点が一つ欠けたような歪んだピラミッド形状」の5配位多面体（AlO₅）であることを見いだしました（図3左）。さらに加圧によってAlO₆八面体が増え、AlO₅ピラミッドがより歪むとともに、AlO₅/AlO₆が稜共有_（7）で連結した結晶の様な高密度マトリクスが形成されることが示されました（図3右）。研究チームは、この歪んだAlO5が電場に対して変形しやすい「不安定な局所構造単位」として働き、AlO₆の増加との相乗効果で高い誘電応答をもたらすというモデルを提案しました。すなわち、今回の高誘電率は「組成」ではなく「密度による局所配位と中距離構造（稜共有マトリクス）の制御」によって実現された点に特徴があります。

今後の展開

  本研究は、100年以上にわたり常識とされてきた「アルミナはガラスにならない」という限界を打ち破る挑戦から始まり、試行錯誤を重ねた結果、アルミナをガラス状の塊として得るという画期的な成果に到達しました。さらに、高圧による緻密化を通じて材料の構造を制御し、優れた物性を引き出せる可能性を示しました。これは最先端の高圧合成、物性計測、構造解析技術の高次元での連携により実現した成果であり、物質・材料探索に新機軸を打ち出すものです。今後は、本手法を一般化し、新規材料の合成を進めていきます。得られた知見が蓄積され、将来的な理論計算やデータサイエンスとの連携が進むことで、今までにない構造と物性を示す革新的な材料の発見・開発につながっていくことが期待されます。

図1 高圧力印加によるバルク非晶質アルミナの合成
（左）高圧その場観察用ダイヤモンドアンビルセル
（中央）高圧力印加下での非晶質アルミナのバルク化その場観察結果
（右）ベルト型高圧装置によって合成されたバルク非晶質アルミナ、薄片化（右上）することで透明性が確認できる。

図2　バルク非晶質アルミナの物性データ
今回合成した非晶質アルミナの物性（赤）は密度、熱伝導率、硬さ（ビッカース硬さ）、誘電率のすべてにおいて代表的なガラスであるシリカ（SiO₂）ガラスを上回った。また、硬さについては代表的な高硬度ガラスであるアルミノケイ酸塩（60Al₂O₃-40SiO₂）ガラスを上回っている。誘電率においては、代表的な結晶相であるα‐Al₂O₃を超える値を示した。

図3　（左）本研究で発見された非晶質アルミナの主要単位であるAlO₅ピラミッド構造
（右）非晶質アルミナの高圧力印加によるバルク化に伴う構造モデルの変化。バルク化に伴い、AlO₅ピラミッド構造（赤）とAlO₆八面体（オレンジ）の稜共有による高密度マトリクスが形成されている。

用語説明

謝辞

  本研究は、工学院大学先進工学部応用化学科の橋本英樹准教授と大倉利典教授、NIMSマテリアル基盤研究センターの小野寺陽平主任研究員とナノアーキテクトニクス材料研究センターの宮川仁主任研究員らの研究チームが中心となって、京都大学大学院工学研究科の増野敦信特定教授、名古屋大学大学院工学研究科の高田尚記教授、日本電子株式会社の矢澤宏次氏、東北大学多元物質科学研究所の吉井丈晴准教授、島根大学材料エネルギー学部の尾原幸治教授、岡本硝子株式会社の川田耕司主席技師をはじめとする国内複数機関（岡山大学、東京理科大学、高エネルギー加速器研究機構（KEK））の研究者らと連携して実施されました。
  本研究は、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 さきがけ〔未来材料〕物質探索空間の拡大による未来材料の創製（JPMJPR22Q7、JPMJPR22Q4、JPMJPR23QA）、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（JP19H05790、JP19K05648、JP22K04950、JP23K17711、JP24K17502、JP24K01167）、JSPS 学術変革領域研究（A）「超秩序構造が創造する物性科学」（JP20H05879、JP20H05880、JP20H05881、JP20H05878）、各種民間財団の支援を受けて実施されました。本研究の一部は世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI）の支援を受けました。NMR測定は、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）」の支援（JPMXP1222NM0090、JPMXP1223NM0075、JPMXP1224NM0114）を受けて、放射光実験は高輝度光科学研究センターによるSPring-8 BL04B2（2022B1363、2023A1344、2023B1237、2024B1527）にて、中性子回折実験はJ-PARC・MLFのBL21の長期課題（2022L0202）で実施しました。

取材に関するお問い合わせ

原子核標的中で陽子ビームによりφ中間子を生成。電子・陽電子対でφ中間子の生成を捉える。
© 成木恵 Gemini 3 Flash Image

背景

  私たちの身の回りにある物質の質量の多くは、素粒子（クォーク）そのものの重さではなく、素粒子間の強い相互作用によって生じていると考えられています。この「質量の起源」を説明する理論によれば、原子核のような高密度な物質中では、真空中に比べて中間子の質量が減少するなどの変化が起こると予測されています。この現象を実験的に捉えるためには、原子核の「壁」を素通りして情報を持ち出せる、電子と陽電子への崩壊（電子ペア崩壊）を捉えることが理想的ですが、この崩壊は数千回に1回という稀な現象であるため、観測には大強度のビームと精密な測定器が必要でした。

研究手法・成果

  本研究グループは、2020年に運用を開始したJ-PARCハドロン実験施設の「高運動量ビームライン」において、世界最高クラスの強度を持つ陽子ビームを使用しました。測定には、秒間1,000万回の衝突から生まれる膨大な粒子を捉える「E16スペクトロメータ」を用い、炭素と銅の原子核標的から放出される電子・陽電子ペアを精密に測定しました。 その結果、30 GeVのエネルギー領域では世界で初めて、電子ペアを用いたφ中間子の再構成に成功しました。さらに、原子核の質量数（大きさ）に対するφ中間子の生成率の変化を解析したところ、生成量は原子核の質量数にほぼ比例して増えることを突き止めました。これは、中間子が原子核内で異常に吸収されることなく生成されていることを示しており、物理学上重要な知見です。

波及効果、今後の予定

  今回の成果は、J-PARCにおける「中間子の質量変化」を探索するための本格的な研究の幕開けを告げるものです。今回得られた生成断面積のデータは、今後より高い統計量（100倍以上）で実施される精密実験において、環境（原子核の密度）による変化を正しく識別するための重要な「物差し（ベースライン）」となります。将来的には、物質がどのようにして重さを獲得したのかという、宇宙開闢以来の謎の解明に大きく寄与することが期待されます。

研究プロジェクトについて

  本研究は、J-PARC E16コラボレーション（京都大学、KEK、東京大学、理化学研究所、日本原子力研究開発機構、大阪大学RCNP、広島大学WPI-SKCM2、Academia Sinica(台湾)、GSI (ドイツ)など）による国際共同研究として実施されました。

用語説明

研究者のコメント

  「新しいビームラインと測定器を立ち上げ、30 GeVという未知の領域でようやく信号を捉えることができました。これは長年の装置開発の賜物です。今回の成功はあくまで第一歩であり、今後は膨大なデータから『質量の変化』という物理の核心に迫れることを確信しています。」（成木 恵）

論文タイトルと著者

研究に関するお問い合わせ先

高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター

  KEKは、ハイパーカミオカンデ計画の実験に向けて新たに開発したニュートリノ観測装置である「中間検出器（IWCD：Intermediate Water Cherenkov Detector）」をJ-PARCのニュートリノ発生地点から約1km離れた茨城県東海村内に設置します。
  装置が設置される深さ約50m、直径約10mの立坑の掘削に向け、立坑の先端部分に当たる「刃口」および、地下に順次埋め込んで立坑の壁となる構造物（躯体）の最初の一つが完成しました。この刃口で地盤を掘りながら、巨大な構造物を少しずつ沈めていきますが、刃口と構造物の様子が見やすい状態になりましたので、報道機関向けの見学会を開催します。

（刃口と構造物の概念図）

  最寄りのJR東海駅東口を13:30に出発する送迎バスを用意します。東京方面から電車でお越しの方は、11:53東京発（JR特急ひたち11号）→（水戸乗換）→13:24東海着をご利用ください。見学会終了後も東海駅までお送りします。

  お車でお越しの際は、KEK東海１号館の駐車場（無料）がありますのでご利用ください。

本件に関するお問合せ先

概要

  デジタル社会の進展に伴い消費電力の増大が課題となる中、待機電力を大幅に削減できる次世代磁気メモリの開発が注目されています。磁気メモリの性能を高めつつ待機電力を削減するためには、読み出し信号を強化するとともに情報の保持能力を高める必要があります。しかし一般に、情報の保持能力（安定性）を高めると、読み出し信号の強さが低下するというトレードオフがあり、長年の課題でした。こうしたメモリ性能は、材料の保磁力と磁化という物性によって決まります。
  東北大学らの研究グループは、材料の成分をナノメートル単位で膜厚方向に連続制御する「ナノ傾斜設計」により、磁化を高水準で維持したまま保磁力を従来比約10倍に高めることに成功しました。さらに東北大学での評価に加え、J-PARCとNanoTerasuを連携活用した中性子と放射光の相補的解析により、高性能化のメカニズムを解明しました。本成果は、NanoTerasuを活用した初期の研究成果の一つであり、従来の材料限界を超える次世代量子スピンデバイスの実現に向けた新たな材料設計指針を示すものです。
  本成果は、2026年3月12日（現地時間）付けで、科学誌ACS Applied Electronic Materialsにオンライン掲載されました。
  なお、本成果は東北大学大学院工学研究科の神永健一助教、松本祐司教授、総合科学研究機構中性子科学センターの花島隆泰研究員、阿久津和宏副主任技師、量子科学技術研究開発機構の上野哲朗主幹研究員、大坪嘉之主幹研究員、名古屋大学未来材料・システム研究所/国際高等研究機構の永沼博特任教授、日本原子力研究開発機構の青木裕之研究主幹らの共同研究によるものです。

詳細な説明

研究の背景

  現代のコンピュータのさらなる省電力化に向けて、電子の磁気的性質（スピン）を利用する「スピントロニクス^（注5）」は重要な技術の一つです。中でもペロブスカイト型マンガン酸化物（LSMO）^（注6）は、室温以上でも磁石としての性質（強磁性）を維持し、かつ強い磁化を示すことから、次世代磁気メモリの電極材料として有望視されてきました。
  しかし、LSMOには情報を安定して保持する能力である保磁力が極めて低いという実用上の課題がありました。この改善策として、マンガンの一部をルテニウム（Ru）に置き換える手法が取られてきましたが、保磁力を高めようとすると、室温付近で磁石としての性質（磁化）を維持できなくなるというトレードオフに直面していました。これは、添加元素が材料内部で磁気の向きを揃えようとする力を乱してしまうことが原因であり、実用化を阻む大きな壁となっていました。

今回の取り組み

  東北大学、総合科学研究機構（CROSS）、量子科学技術研究開発機構（QST）、名古屋大学、日本原子力研究開発機構（JAEA）からなる本研究グループは、成分を均一に混合する従来の手法を見直し、添加するルテニウムの濃度を膜の厚さ方向にナノメートル単位で連続的に変化させる「ナノ傾斜設計」を導入しました。東北大学で独自に開発したガルバノミラー走査型パルスレーザー堆積法という高速成膜技術（図1）により、この精密な傾斜構造を持つ高品質な単結晶薄膜を作製しました。この薄膜を評価した結果、室温で安定に動作する特性と高い磁化を維持したまま、保磁力を従来の7〜10倍に向上させることに成功しました（図2）。
  さらに、この高性能化のメカニズムを明らかにするため、東北大学による巨視的な磁化測定に加え、J-PARC MLF^（注3）BL17の中性子解析とNanoTerasu^（注4）BL13Uの放射光解析を組み合わせた相補的解析を実施しました（図3）。これにより、材料全体の磁気特性の変化と、膜内部の傾斜各層や特定元素が示すミクロな磁気状態とを、ナノスケールで直接対応付けて評価することが可能となりました。
  解析の結果、ルテニウムを添加した場合、成分分布が均一であっても傾斜していても、膜の表面や基板界面には磁気が弱まるデッドレイヤー^（注7）が形成されることが分かりました。一方で、「ナノ傾斜設計」を採用した場合には、膜中央部（バルク層）における磁化が、均一添加の場合と比較して大きく増強されることが明らかになりました。この材料内部での磁化の増強が、表面・界面で生じる磁化の低下を上回ることで、材料全体の性能向上につながっていることが確認されました。

今後の展開

  本研究で実証された、成分に意図的な濃度勾配を導入する設計指針は、従来の磁性材料設計とは異なる新たなアプローチです。材料内部での磁化増強を活用することで、これまで両立が難しかった特性を同時に高められることを示しました。こうした材料設計は、待機電力をゼロに近づけられる次世代磁気メモリや、超高性能な磁気センサーの実現に向けた研究の進展につながるものと期待されます。
  本研究は茨城県のJ-PARCと宮城県のNanoTerasuという異なる特性を持つ国内の大型研究施設を連携活用し、材料全体の特性とナノスケールでの磁気状態とを統合的に解析した成果であり、このような相補的利用は、複雑な機能材料の設計指針を明確にするうえで有効なアプローチといえます。また、2025年に本格運用を開始した3GeV高輝度放射光施設NanoTerasuの軟X線吸収分光ビームライン（BL13U）において、本研究は、その有効性を実証した初期の研究成果といえます。今後、産学官の連携により、国内外の大型研究施設を活用した材料開発のさらなる進展が期待されます。

図1. 独自の高速成膜技術とナノ傾斜薄膜の作製

（左）本研究で用いた「ガルバノミラー走査型パルスレーザー堆積装置」の概念図。ミラーを高速制御することで、2種類の材料（LSMOとRu:LSMO）を瞬時に切り替えながら成膜する。（左上）本研究で用いたペロブスカイト型マンガン酸化物（LSMO）の結晶構造。（右）ナノ傾斜薄膜の構造模式図。基板界面から膜表面に向かって、ルテニウムを含む層と含まない層の積層比率を連続的に変えることで、ナノメートルスケールの滑らかな線形濃度勾配を実現した。これにより、自然界には存在しない磁気的状態を人工的に作り出すことが可能になる。

図2. 磁石性能の限界（トレードオフ）を突破

従来の均一な材料（黒丸）は、ルテニウム（Ru）添加量を増やすと保磁力は高くなるが、磁化は点線に沿って大幅に低下する。これに対し、今回のナノ傾斜組成膜（赤・青の三角）は、Ruを含まない「Ru0%試料」と同等の高い磁化を保ちつつ、保磁力のみが横軸方向に大きく右側（従来の7〜10倍）へ移動しており、これまでの限界を超えたことを示している。

図3. 国内の大型研究施設を連携活用し、相補的解析を行った。

謝辞

  本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（JP19K15440、JP20H02610、 JP22K14595、JP23H00263、JP24K08239）ならびにマツダ財団、豊田理化学研究所 豊田理研スカラー制度、ヒロセ財団、カシオ科学振興財団（助42-16）の助成金支援を受けたものです。また、一部は東北大学金属材料研究所GIMRTプログラム（課題番号：202112-SCKXX-0203、202211-SCKXX-0201、および202312-SCKXX-0209）の下で実施されました。偏極中性子反射率測定はJ-PARC MLFのBL17 SHARAKUにおけるユーザープログラム（課題番号：2024A0002および2025A0011）の下で実施されました。XAS/XMCD測定は、高輝度光科学研究センター（JASRI）の承認を得て、NanoTerasu BL13Uで実施しました（課題番号：2025B9014）。本研究は東北大学研究推進・支援機構コアファシリティ統括センターの設備共用システムに登録されている381・Quantum Design MPMSを用いて実施し、文部科学省先端研究基盤共用促進事業（コアファシリティ構築支援プログラム）JPMXS0440600022で共用された機器を利用した成果です。また、名古屋大学研究力強化促進事業最先端国際研究ユニットの助成を受けています。なお、本共同研究は、応用物理学会「強的秩序とその操作に関わる研究会」における研究交流が契機となって開始されたものです。本研究成果に関する論文は『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』の支援を受けました。

用語説明

論文情報

問い合わせ先

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

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