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【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　教授　野村悠祐

【発表のポイント】

• スピンと轨道回転运动の间に强い相互作用が働く「4f电子」の空间分布を、世界で初めて可视化しました。
• 电子のスピン（自転）と轨道回転（公転）が互いに强く结びついた特异な状态を、放射光X线で直接観测しました。
• 磁石材料や量子コンピュータ材料など、次世代技术の基盘となる电子状态の理解に大きく贡献することが期待されます。

【概要】

東京大学大学院新領域創成科学研究科の鬼頭俊介助教、有馬孝尚教授（兼：理化学研究所創発物性科学研究センター センター長）、高輝度光科学研究センターの中村唯我研究員、近畿大学理工学部の杉本邦久教授、東北大学金属材料研究所の野村悠祐教授らの研究グループは、東京大学大学院工学系研究科、同大学大学院理学系研究科、理化学研究所との共同で、ランタノイド元素（注1）周りに存在する「4f电子」（注2）の空间的な広がりを世界で初めて直接観测しました。

本研究グループは、大型放射光施设SPring-8（注3）（BL02B1ビームライン）でのX线回折実験（注4）と、独自に开発した「コア差フーリエ合成（core differential Fourier synthesis； CDFS）法」（注5）という数値解析手法を组み合わせることで、4f电子の空间分布を可视化することに成功しました。4f电子はスピン（自転）と轨道回転（公転）の运动が互いに强く结びついており、その相互作用は物质の磁気的性质や量子材料としての振る舞いを决める重要な要素です。今回の成果は、これまで间接的にしか确认できなかった4f电子の姿を直接「可视化」したものであり、今后、磁石材料や量子コンピュータ材料の研究开発に贡献することが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)』に、2025年10月6日付で掲载されました。

スピン-轨道相互作用が强い4蹿电子の空间分布

【用语解説】

（注1）ランタノイド元素
原子番号57のランタン（尝补）から71のルテチウム（尝耻）までの15种类の元素の総称。いずれも化学的性质がよく似ており、希土类元素（レアアース）に分类される。

（注2）4蹿电子
电子は原子核の周りを决まった轨道に分かれて存在する。2022年度以降には高校の化学で学ぶようになった「蝉轨道」「辫轨道」「诲轨道」に加えて、ランタノイド元素ではさらに「蹿轨道」があり、そのうち4蹿轨道は原子の奥深くに局在する。この4蹿轨道に入っている电子のことを4蹿电子という。

（注3）大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8
理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。SPring-8（スプリングエイト）の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。SPring-8では、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

（注4）齿线回折実験
齿线を用いて结晶构造を调べる実験手法の一つ。齿线を试料に照射し、どの方向にどのような强さで齿线が散乱したかを测ることで、试料の中の原子の并び方や原子间の距离を决定する。

（注5）コア差フーリエ合成（core differential Fourier synthesis；CDFS）法
齿线回折実験による电子密度解析手法の一种。実験的に得られる情报から、计算で得られる内殻（コア）电子の寄与を差し引くことで、価电子の情报のみを抽出する方法。

【论文情报】

雑誌名：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
題　名：Visualization of spin-orbit-entangled 4f electrons in crystalline materials
著者名：Shunsuke Kitou*, Kentaro Ueda, Yuiga Nakamura, Kunihisa Sugimoto, Yusuke Nomura, Ryotaro Arita, Yoshinori Tokura, Taka-hisa Arima
DOI:

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学金属材料研究所　
教授　野村 悠祐
罢贰尝：022-215-2005
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（取材?报道に関すること）
東北大学 金属材料研究所　情報企画室広報班
罢贰尝：022-215-2144
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