東京大学、原子1個の内部電場を直接観察：単一原子の内部構造を可視化

走査型透過電子顕微鏡法と多分割型検出器を活用

　東京大学大学院工学系研究科附属総合研究機構の柴田直哉准教授、関岳人特任研究員、幾原雄一教授らの研究グループは2017年5月、金原子1個の内部に分布する電場を直接観察することに成功したと発表した。分解能が0.05nm以下の走査型透過電子顕微鏡（STEM）法と独自開発の多分割型検出器を用いた。

　STEMは、試料上を走査する電子プローブの大きさによって、その分解能が決まる。現在は電子線を縮小するレンズ技術の進化などもあり、0.05nm以下の分解能が達成されている。この結果、原子そのものを可視化することは可能となったが、原子内部の構造を電子顕微鏡で直接観察することは極めて難しいといわれてきた。

最新のSTEMの外観（左）と、一般的な観察のイメージ（右） 出典：東京大学、科学技術振興機構（JST）

　研究グループは今回、金原子内部に分布する電場を可視化するため、分解能が0.05nm以下のSTEMと、独自に開発した多分割型検出器を用いて測定を行った。具体的には、原子内部にあるプラス電荷の原子核と、マイナス電荷の電子雲との間にある電場によって電子線が影響を受け、進行方向が変化する。今回は各位置における強度を分割型検出器で検出した。電子線強度の違いによって、原子内部における電場の分布状況を直接観察することができるという。

原子の内部構造と電場分布の模式図（左）と、今回用いた分割型検出器による原子内部の電場計測の模式図（右） 出典：東京大学、JST

　研究グループはこの測定方法を用いて、チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）結晶中の原子電場や、金原子内部の電場を観察した。この結果、プラスの原子核からマイナスの電子雲に向かって電場が湧き出している原子内部の様子を、直接観察することに成功した。

チタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）結晶中の原子電場観察例（左）と、金原子内部の電場観察例（右） 出典：東京大学、JST

　電子顕微鏡によって観察できるのはこれまで、原子レベルに限られていた。今回の研究成果により、原理的には原子内部における電荷の分布状態や原子同士の結合なども、直接観察することが可能とみられている。