佐々木研究室 ―研究室紹介 #33―

光が物質にあたると、吸収・散乱・回折現象などが起きてその電子状態が変化します。物質を構成する原子の大きさや物質内電子のエネルギーに合せた光（X線）を用いると、原子や分子の配列や結晶の電子状態を研究できます。
これらの先端的研究には、シンクロトロン放射光や中性子など量子ビームの利用が不可欠です。特に研究室では、回折散乱に分光学的手法を取り入れた放射光測定技術の開発に力を入れ、結晶内原子の電子状態を研究しています。
放射光の連続光という特徴を利用した共鳴散乱で、Eu₃S₄の価数が異なるEuイオンを区別し、電荷秩序を求めた実例を図1に示します。

放射光の特徴である直線偏光を円偏光に変換することで、共鳴磁気散乱効果から、フェリ磁性を示すマグネタイト（Fe₃O₄）の不対電子の状態密度（DOS）を原子が占めるサイトを区別しながら実験的に求めることができました（図2）。この結果は、1sから3d（4p）に移る電子遷移と密接に関係しており、第一原理計算によるDOSともよい一致を示しました。

軌道磁気とスピン磁気モーメントは、マクロな磁性を理解する上で基本的な量です。研究室では、磁気光学効果（X線磁気円二色性、XMCD）や磁気散乱の実験により、遷移金属・希土類元素酸化物の電子状態や磁気状態を研究しています。NiFe₂O₄のXMCDスペクトルとFeイオンの理論電子密度分布を示します（図3）。

結晶構造解析では、電子密度分布が求められます。例えば、図2のE=7.109 keVのX線を選んで磁気共鳴散乱を測定すれば、その電子遷移が関係するe軌道とt_2g軌道の電子の空間的な広がりがフェリ磁性を示す正負ピークとして観測できます（図4）。