日本国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构（QST）的山本航平研究员、宫胁淳主干研究员，以及日本东北大学跨学科科学前沿研究所的铃木博人助教等人组成的研究团队利用安装在NanoTerasu（全球最高性能软X射线同步辐射设施）的共振非弹性X射线散射装置“2D-RIXS”，全球首次成功实现了以1微米以下的精度可视化物质中电子的行踪。宫胁主干研究员表示：“此前，同时兼顾高精度（能量分辨率）和位置信息（空间分辨率）十分困难，但通过反向计算X射线光子的空间信息，我们成功开发出了2D-RIXS显微镜。今后有望为自旋电子学等广泛领域的固体材料开发做出贡献”。相关成果已发表在《Journal of Synchrotron Radiation》上。
QST的宫胁淳主干研究员（左）与山本航平研究员（供图：科学新闻）
QST于2024年自主研发出了具有全球最高能量分辨率的2D-RIXS，2025年3月起已供众多研究人员使用。另一方面，随着半导体器件的微型化进程不断推进，以及以不均匀性为关键的量子材料研究不断深入，不仅需要了解“电子处于何种状态”，更需要明确“该电子存在于样本中的哪个位置”，这一点已变得不可或缺。
为了在不损失超高能量分辨率的同时获得空间分辨率，研究团队从根本上重新审视了2D-RIXS装置的原理。在2D-RIXS中，为了实现超高能量分辨率，通常会将X射线照射后获得的整个样本信号进行叠加以提高强度，但研究团队注意到，在叠加前的单个数据中，也包含了该信号来自样本中哪个位置的信息。基于该构想，通过反复进行空间分辨率评估与光学系统精密控制等扎实而持久的验证，研究团队确立了追踪每个X射线光子空间信息的方法，从而同时实现了此前被认为无法兼得的超高能量分辨率与高空间分辨率。
图1：兼具超高能量分辨率与高空间分辨率的“2D-RIXS显微镜”概念图（供图：QST，来源：Yamamoto, K., Suzuki, H. & Miyawaki, J. (2026). J. Synchrotron Rad. 33.）
山本研究员表示：“为了能够以高精度计算位置信息，我们反复多次试错，才得以实现。”
对在硅基板上用镍薄膜制成NanoTerasu图标微细图案，采用仅提取镍3d电子相关信息的X射线能量条件进行测量后，证实了能够以1微米的分辨率进行高精度成像。
该新技术可通过NanoTerasu的共享实验制度进行使用。由于能够以前所未有的高精度测量多种元激发（电子的电荷、轨道、晶格、自旋），将来有望为下一代器件的开发做出贡献。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Synchrotron Radiation
论文：2D-RIXS: Resonant inelastic x-ray scattering microscopy with high energy and spatial resolutions
DOI：doi.org/10.1107/S1600577526000573
