東京大学物性研究所の松田巌教授（兼：東北大学客員教授）は同大学大学院理学系研究科物理学専攻大学院生の和田哲弥氏（同大学物性研究所）と堀尾眞史助教らと東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの山本達准教授と共同で、世界で初めて軟X線を用いた大気圧下光電子分光測定に成功しました。
　高いエネルギーの光を物質に照射すると電子が放出される「光電効果」が19世紀に発見され20世紀頭に物理学者Einstein博士によってその原理が解明されました。本現象は1960年頃から物質の分析法としての開発が進められ、化学者Siegbahn博士により「光電子分光法」として確立されました。本手法の光源にはX線管（注4）が広く使用されていますが、これは気体分子による吸収が大きい「軟X線」を発生します。一方、電子も気体分子と強く相互作用します。そのため、気体中で大きく減衰する「軟X線」と「電子」の両者を用いる光電子分光実験は伝統的に超高真空下（10^-13 bar）で実施されてきました。
　軟X線光電子分光法は表面深さ1 nm以下で物質や材料表面の化学状態を直接分析することができます。21世紀の放射光（注5）技術の発展により、化学反応下の触媒表面などを「その場」観測する準大気圧下での測定法の開発が行われました。しかし最高性能の装置でも0.13 bar （約0.1気圧）が限界であり、大気圧下で起こる多くの反応に対応できない課題がありました。
　2024年に最新のNanoTerasuの運用が開始され、これまでにない高輝度な軟X線ビームを用いた実験が可能となりました。そこで本研究チームは本施設コアリションビームラインBL08Uの準大気圧光電子分光装置の高度化を行い、雰囲気ガス圧の上限を引き上げてきました。図2のように真空パイプから構成された軟X線導入路を用意し、さらに試料と電子分析器の距離を30 〜 60μmまで近づけ、そして電子分析器を大気圧測定まで耐えるような差動排気型（注6）に改造しました。その結果、「軟X線」と「電子」がガス雰囲気中で減衰し切ることなく完全大気圧下での金試料の軟X線光電子分光測定に世界で初めて成功し（図1）、超高真空（10^-3 bar）から大気圧（1 bar）の13桁に及ぶ圧力範囲での元素・化学種分析を可能にしました。
　今後、基礎化学の発展と触媒材料や燃料電池などの開発に活用されることが期待されます。
　本成果は、日本応用物理学会のレター誌『Applied Physics Express』に3月26日付（現地時間）で掲載される予定です。