数理物質系 重川 秀実（しげかわ ひでみ）教授
東京大学工学系研究科博士課程中退、同物理工学科助手、米国ベル研究所・フロリダ大学訪問研究員、筑波大学物質工学系等を経て現職に。現在、科学研究費特別推進研究や未来社会創造事業において、量子光学と走査トンネル顕微鏡の先端技術を組み合わせ、極微の世界の隠れた現象を探る新しい顕微鏡法の開発を進めている。研究対象は半導体材料から生体分子まで含むナノサイエンス。令和元年春に紫綬褒章を受章。
より小さく、より速く
ただ静止しているように見える物質も、それを構成する原子や電子といった小さな領域では、様々な挙動をしており、その動きが、物質の機能を発現させています。非常に高速で瞬時に起こる変化を精密に捉えることが、新しい機能を持つ材料の開発につながります。例えば半導体も、原理は教科書に書かれた通りであっても、実際に原子や電子がどのように動いているのか、より詳しくわかれば、これまでにない機能や性能を付与することができるのです。
物質を観察するツールの一つ、走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope,STM）は、探針で物質の表面をなぞることにより、表面形状を原子１個のサイズよりも小さい精度で見ることができる顕微鏡です。1980年代前半に発明され、ナノテクノロジーの進展に大きく貢献してきました。一方、分子や原子の超高速の動きを観察するためには、レーザー分光法が用いられます。レーザー光をフェムト秒（1000兆分の1秒）という極めて短い瞬間で物質に照射し、その時に生じる物質の変化を検出するものです。この２つの技術を組み合わせると、空間分解能（サイズ）と時間分解能（速さ）を併せて、物質の挙動を詳細に知ることができます。
しかしながら、このアイデアが実現するまでには10年近い年月がかかりました。レーザー光照射によってSTMの探針が熱伸縮を起こし、探針と試料との距離が変動してしまうなど、様々な問題に直面しました。そういった課題を一つひとつクリアし、世界初の新しい分析装置「時間分解STM」が完成しました。
進化する顕微鏡
従来の顕微鏡は、物質をそのまま見るためのツールでした。つまり、原子や分子の並び方や結晶構造など、物質の姿をできるだけ詳しく知ることが目的だったのです。しかし今時の顕微鏡はそれだけではありません。光や温度、磁場などの刺激を与え、その応答を観察するためのものが種々開発されています。外的な刺激でわざと物質を変化させ、その様子から、物質が潜在的に持っている性質を見つけ出すのです。
私たちが見ている様々な物質の現象は、その内部で生じる微小で高速な変化の積み重ねと、それら全体がシステムとして作用した結果です。それは、金属や半導体のような無機材料でも、生物の細胞でも同じこと。時間分解STMは、極めて広範囲に活用できる基盤技術です。これまでは、物質が変化する前後を観察するのみでしたが、変化の過程のダイナミクスまで捉えることができるようになりました。
分析装置は、分析すべき対象があって初めて、その力を発揮します。ですから研究は必ず、それらを専門に研究する人々との共同で行われます。知りたいことは何か、そのためにどのような工夫が可能か、異分野間のディスカッションが、装置を進化させ、同時に、分析対象に関する新たな発見をもたらします。そしてそれらの知見が、また別の研究テーマへの展開を広げる、という好循環を生み出します。
ナノテクから生体まで
半導体については、いろいろな手法によって、すでに数nm（ナノメートル＝10億分の1メートル）という微細なレベルでの分析が可能となっています。それに伴って高性能化も進みましたが、さらなる機能の向上を目指すには、今までの手法では見えなかったものを見る必要があります。知り尽くされたように思えるものでも、時間分解STMでの観察によって、まだ隠されている性質を引き出すことができるかもしれません。
また、最近特に注力しているのが細胞の観察です。細胞の構造はよく知られていますが、実は細胞ごとに異なる挙動を示します。例えば、病気の治療などで薬剤を使用した時に、薬効が高い細胞とそうでない細胞があります。それぞれの細胞の中でどのような反応が起こっているのかがわかれば、より効果の高い薬剤や投与方法の開発に役立ちます。
細胞は生きた状態で観察することが重要です。しかしながら、その内部にはさらに様々な分子が存在するという複雑な構成ですから、光のあて方や探針の使い方、温度など、他の材料と同じような過激な条件で観察するわけにはいきません。細胞内部の分子一つひとつを適切な状態で観察できるように、装置の改良に取り組んでいます。生化学の分野でもこの手法が適用可能になれば、医学研究にとっての新しいアプローチとなるはずです。
新しい実験技術が科学を進歩させる
新しい分析方法や技術は、いつも、科学を進歩させる大きな要因です。精度が向上したり、新しい原理を導入することで、未知のものが見えるようになります。そのようにして、推測の域を出なかったことや、計算結果として示されていた理論が、現実のものとして証明されることも少なくありません。顕微鏡などの分析装置は、それ自体では研究の主役にはなりにくいものですが、あらゆる分野の研究に、なくてはならないもの。知りたい事柄に応じて、既存の装置を改良したり、プログラムや回路を自作することは、どの分野でも行われています。
とは言え、時間分解STMのような基盤的かつ革新的な分析技術は、やはり「その道の専門家」でなければ生み出すことが困難です。この装置の発表時は、ネイチャー誌の取材を受けるなど、大きな反響を呼びましたが、これに追随する研究者は、世界的にも多くはありませんでした。それだけ、難度の高い技術だということです。ここ数年でようやく競争が生まれてきており、さらに研究を重ね、どんな材料にでも適用できるような手法にするべく、もう一段の飛躍を目指しています。
すべての物質の謎に迫る
物質を原子や分子レベルで理解したい、その興味は、この宇宙が一体どのように成り立っているのか、という根源的な好奇心から始まりました。ですから、分析対象に対しても特定のこだわりを持たず、あらゆる物質を扱います。顕微鏡はミクロの空間を観察するものですが、究極的には、小さな世界を突き詰めることで、宇宙の仕組みや生命の謎も解明できるのではないかと考えています。
宇宙も生物も、元をたどれば原子や素粒子でできています。また、STMの原理であるトンネル効果が、宇宙の誕生にも一役買っているという理論もあり、なんとなく因縁も感じます。光や量子化学を駆使して物質に隠された性質を見つける研究は、いつか、宇宙にも生命にも通じていくに違いありません。
時間分解走査トンネル顕微鏡（時間分解STM）
探針と物質との距離を1nm程度まで近づけ、その間に電圧をかけると、トンネル現象という量子力学的な効果により電流が流れる。この状態で物質の表面をなぞるように探針を動かすと、物質表面の凹凸を検知できる。これと、1000兆分の1秒（フェムト秒）程度のパルスを放つレーザー光を物質に当て、極めて短時間に生じる変化を検出する分光法を組み合わせることで、ナノレベルの空間分解能とフェムト秒レベルの時間分解能を両立する顕微鏡を実現した。
（文責：広報室 サイエンスコミュニケーター）