軟X線1発で、像とスペクトルを同時に――
417の「窓」が捉えたフェムト秒

顕微鏡の像には「どこ」が写る。分光器の曲線には「どのエネルギーが、どれだけ吸収されたか」が表れる。2026年8月、東京大学物性研究所、同大学先端科学技術研究センター、理化学研究所放射光科学研究センターなどの研究チームが報告したのは、その二つを軟X線の単一パルスから同時に取り出す装置だった。

名称は「フェムト秒軟X線ハイパースペクトル顕微鏡」。竹尾陽子（たけお・ようこ）助教、木村隆志（きむら・たかし）准教授、江川悟（えがわ・さとる）助教、矢橋牧名（やばし・まきな）グループディレクターらが、兵庫県播磨科学公園都市にあるX線自由電子レーザー施設SACLAの軟X線ビームラインBL1で原理実証した。査読論文は学術誌 Optica に8月19日に公開され、東京大学、理化学研究所、科学技術振興機構（JST）が20日に共同発表した。

装置が扱うのは、肉眼で見る色よりはるかに高いエネルギーを持つ軟X線である。特定元素の吸収端近くでは、透過の仕方が元素や電子状態によって変わる。したがって、単なる濃淡像では区別しにくい物質や化学状態を、場所ごとの吸収スペクトルから読み分けられる可能性がある。

「画像の各点に分光器を置く」という難題

ハイパースペクトル画像は、通常の横・縦の座標にエネルギー軸を足したデータである。写真が各画素に赤・緑・青の値を持つのに対し、分光画像は各位置に連続したスペクトルを持つ。材料の平均的な吸収を測るだけなら一つの分光器でよい。だが、反応が局所的に進む触媒、場所ごとに劣化する電池材料、相が入り交じるデバイス、内部が不均一な細胞では、平均値が肝心な差を消してしまう。

従来は、細いX線ビームを試料上で走査するか、光源のエネルギーを順に変えながら何枚もの像を撮る方法が広く使われる。静止した丈夫な試料なら有効だが、フェムト秒からピコ秒で状態が変わる系や、一度の照射で損傷・反応する試料には厳しい。同じ状態を何度も再現できるという前提が崩れるからだ。

さらに、自己増幅自発放射（SASE）方式のXFELは、非常に明るく短い一方、パルスごとにスペクトルが揺らぐ。複数ショットを寄せ集めて一枚の分光像にすると、試料の差と光源の揺らぎが混ざる。研究チームは、そこで「走査を速くする」のではなく、「一度に多数点を読む」光学系を設計した。

鏡で拡大し、417の開口で切り分ける

装置の前半を担うのは二組のWolter（ウォルター）ミラーだ。軟X線は可視光用のガラスレンズでは扱いにくい。研究チームのミラーは、X線が表面を浅い角度で全反射する性質を利用し、凝縮側と結像側で光を集め、試料像を拡大する。反射型なので、波長によって焦点位置や倍率がずれる色収差が原理上ない。

後半が今回の要であるマルチ開口回折格子（MAG）だ。14ミリ角のチップ上に、417個の微小な開口と、それぞれに対応する透過型の不等間隔回折格子を集積した。開口は拡大像の別々の場所を選び、回折格子は軟X線をエネルギーに応じて異なる角度へ振り分ける。結果として、2次元検出器には417本の小さなスペクトルが互いに重ならない配置で並ぶ。

論文によれば、各開口は300 × 80マイクロメートル、開口の間隔は水平600、垂直400マイクロメートル。約250倍に拡大された試料面に換算すると、空間サンプリングは水平2.4、垂直1.6マイクロメートルになる。回折格子の溝間隔は300ナノメートル。東京大学武田先端知スーパークリーンルームで電子線描画などの半導体微細加工を用い、厚さ150マイクロメートルのシリコン基板と窒化ケイ素薄膜上に作製した。

試料から検出器までは約6.5メートルある。「顕微鏡」という言葉から卓上機を思い浮かべると見誤る。これは大型XFEL施設のビームラインに組み込む研究装置であり、臨床検査室や工場にそのまま置ける製品ではない。

まず光源そのものを「地図」にした

研究チームは、最初に試料を置かず、軟X線ビーム自体を測った。三つの代表ショットと100ショット平均を比べると、強度と中心エネルギーはパルスごとに変わり、同じ一発の内部でも位置によって一様ではなかった。光軸付近の光子エネルギーが周辺よりわずかに高い傾向も、空間チャンネルごとの平均から見えた。

これは装置評価の脇役ではない。XFEL実験では、試料に届いたパルスの性質を把握しなければ、試料由来の変化を正しく読めない。従来の分光器がビーム全体を平均してしまうなら、局所的な偏りは見えない。MAGは、試料観察装置であると同時に、毎ショットのXFELを空間分解して診断する道具になりうる。

研究発表が「空間的・ショットごとのXFELビーム診断」を用途に挙げるのは、この実測に基づく。ただし、日常運転にすぐ導入された標準診断器と報じるのは早い。論文は原理実証であり、運用速度、校正の自動化、長期安定性、他エネルギー帯への適用は今後の工学課題である。

窒化ケイ素の吸収端で、何が一発に入ったか

次の試料は窒化ケイ素（SiN）の薄膜だった。膜の端が視野の一部だけを覆うように置き、膜がある場所とない場所を同じパルスで比較できる構成にした。100 eV付近の軟X線を通すと、膜の部分では強度が落ちる。中心エネルギーを104、105 eVに設定した測定では、窒化ケイ素を通った光の中心エネルギーが低くなり、スペクトル幅が広がった。

104 eV付近は、この試料で強い吸収変化が現れる領域である。研究チームは、試料のない上側領域を同時参照として入射ビームを推定し、膜を通った領域の透過スペクトルを算出した。光源の空間的不均一とショット間揺らぎを、同じ画面内の参照で補正する発想だ。試料なしデータで検証した中心光子エネルギーの推定精度は二乗平均平方根で0.02 eVだった。

ここには二つの時間尺度がある。一つは、各測定を100フェムト秒未満で切り取ったこと。もう一つは、97～110 eVの全曲線を作るため、中心エネルギーを1 eVずつ変更したことだ。したがって「膜の各位置で単一パルスの帯域内スペクトルを測った」は実証済みだが、「広い吸収端全体を一発で測った」ではない。

天文学の鏡が、顕微鏡の色収差を消した

X線の歴史は1895年、ヴィルヘルム・レントゲンの発見に始まる。可視光のようにレンズで簡単に曲げられないX線を結像するため、研究者は浅い角度で反射させる方式を発展させた。ドイツの物理学者ハンス・ウォルターが1952年に示した二段反射の光学系は、のちにX線天文衛星で広く使われた。

東京大学のグループは、この原理を軟X線顕微鏡へ移した。2022年には、Wolterミラーと計算イメージングのタイコグラフィを組み合わせ、SPring-8で波長を変えても50ナノメートル程度の分解能を保つ細胞観察を報告した。これは今回の装置と同じ性能値ではない。2026年のMAG方式は、より細かな空間分解よりも各場所のスペクトルを一発で得ることに重点を置いており、報告された空間サンプリングはマイクロメートル級である。

2024年には同系統のWolterミラーとSACLAのフェムト秒パルスを使い、生きたCHO K-1細胞を「水の窓」軟X線でシングルショット撮影した。最初の一発で得た像と、その直後に0.5秒間の連続露光で得た像では、放射線損傷による構造変化が見えた。あの成果は「瞬間の像」を示した。今回の成果は、その像を多数点に分け、各点のエネルギー情報まで同時に読む光路を加えた。

「フェムト秒」は動画のフレームレートではない

フェムト秒という言葉は、装置が毎秒何兆枚もの動画を撮るという意味ではない。一発の露光窓が極端に短いという意味だ。反応を時間順に追うには、別のレーザーパルスで反応を始め、X線パルスとの遅延時間を変えて何度も測るポンプ・プローブ実験などが必要になる。試料が毎回同じ初期状態を再現するか、交換できるかという条件も残る。

それでも、一発の情報量が増える意義は大きい。従来なら位置を走査している間に消える局所差、パルスごとに変わる光源、最初の照射で変質する試料を、同じ時間窓の中で比較できる。Japan.co.jpの分析では、この装置の価値は「最速の顕微鏡」という単一の順位ではなく、時間・空間・エネルギーの三つをどう配分するかという計測設計にある。

その配分には代償もある。417個の開口は視野を連続的に読むのではなく、決められた間隔で標本化する。回折格子だけなら100 eV付近で理論的な分解能 E/ΔE ≈ 1000、すなわちΔE約0.1 eVに相当するが、論文は検出器の画素寸法が実効分解能をさらに制限すると記す。光を417本へ分けるため、一つのチャンネルに届く信号量や回折効率も重要になる。

研究チームは、光源帯域、検出器、分光素子の高性能化を次の課題に挙げる。より広いエネルギー帯を一発に含められれば、中心エネルギーを走査せずに吸収端全体へ近づける。高速カメラと高繰り返し光源を組み合わせれば、取得数を増やせる。別のミラー光学系を使えば硬X線への拡張も検討できる。いずれも論文が示す展望であり、完成済みの機能ではない。

化学地図へ進むための、最初の座標系

電池の劣化が粒子ごとに違うとき、触媒反応が表面の一部から始まるとき、光応答材料の相が一瞬だけ生まれるとき、必要なのは平均スペクトルではない。どの位置で、どの電子状態が、いつ現れたかを結び付ける測定である。生体試料なら、放射線損傷が構造を変える前に、元素や化学結合の分布を読める可能性が問われる。

2026年の論文は、その最終目的を達成したとは主張していない。実際に測った試料は窒化ケイ素薄膜であり、動的な化学反応ではない。細胞への応用は将来像だ。材料や生命の「化学動画」という表現を使うなら、反応の再現性、時刻ゼロの精度、必要線量、空間分解能、スペクトル校正、データ再構成を、実試料ごとに検証する必要がある。

それでも、原理実証が解いた問題は明確だ。像とスペクトルのどちらかを選ぶのではなく、色収差のない鏡で像を保ち、417個の微小分光器で場所の情報を残したままエネルギーへ展開した。そして、揺らぐXFEL自身を同じ仕組みで測り、単一パルスの試料信号を参照領域と比較した。

一発で世界をすべて見る顕微鏡ではない。だが、一度しかない光の中から、従来なら別々の測定に分かれていた「場所」と「吸収」を同じ検出面に置いた。化学状態の一瞬を地図にするための座標系が、まず完成した。