【研究内容と成果】
KEKの物質構造科学研究所フォトンファクトリーの低速陽電子実験施設では、低速陽電子ビームの強度10倍増に成功し、世界で最も高強度のエネルギー可変低速陽電子ビームを出せるようになりました（2010年）。 今回、この高強度ビームを利用して、高効率にデータを取得できる世界唯一のTRHEPD装置を開発しました。
また、この装置の検証のため、高強度陽電子ビームを高輝度化したエネルギー10 keVの陽電子を用いて、シリコン単結晶の（111）面を測定しました。 シリコン（111）最表面は、結晶内部の（111） 面の原子配列と違い、シリコン原子が再配列したSi(111)-(7×7)DAS※４と呼ばれる構造をしています（図１）。 この構造は、存在の発見以来決定的な測定手段が無いまま、20年以上原子配置が決まりませんでしたが、1985年に透過電子線回折や走査トンネル顕微鏡などを駆使してようやく解明されました。
図１ Si(111)-(7×7)DAS表面の模式図
図中の丸は、全てシリコン原子。赤丸で示したまばらにあるシリコン原子は表面にあった原子の一部が失われた結果残った原子で、この層を吸着原子層と言います。吸着原子層の下にある緑色で示す層が表面第1原子層、青色で示す層が第2原子層。
図２は、エネルギー10 keV の陽電子ビームおよび電子ビームで、陽電子の臨界視射角以下の1.3°と臨界視射角以上の2.1°で測定した回折パターンです。
それぞれで回折スポットの強度分布が全く異なることがわかります。 測定に使用したエネルギー10 keVの陽電子をシリコンに入射した場合の臨界視射角は2.0°です。 従って、1.3°の陽電子だけが全反射条件を満たし、他は満たしていないことになります。 このことから、回折パターンのスポット強度分布の違いの主な原因は、陽電子と電子の違い及び試料内への侵入深さの変化であることがわかります。 全反射条件を満たす陽電子は最表面に露出している原子層だけから全反射されます。 従って、図1のSi(111)-(7×7)DAS構造の場合、陽電子1.3°では、まばらな吸着原子層と第1原子層からの全反射、2.1°及び電子では、第2原子層以下からの反射も含まれた回折パターンとなります。
図２ 陽電子と電子による回折パターン
(1)全反射条件（臨界視斜角θc = 2.0°）を満たす視射角1.3°陽電子回折パターン（TRHEPDパターン）
(2)視斜角2.1°で観測した陽電子回折パターン。
比較のために、同条件で電子による回折パターン(3), (4)を示します。
(2),(3),(4)では、第2原子層以下を含む回折パターンであることを示す円周上のスポットが見られます。
これらを計算によって検証しました。 視斜角1.3°で、吸着原子層（表面のシリコン原子の一部が失われた結果残った原子の層、図１(a)）のみを想定し、計算して得られたパターンが図３(1)(a)、吸着原子層と第1原子層からの回折パターンが(b)、第2原子層まで含めて計算したものが(c)、結晶全体を対象として計算したものが(d)です。 (b)(c)(d)の三者はほとんど見分けがつかず、結晶全体を対象とした回折パターンが実質上、吸着原子層と第1原子層だけからの情報を示していることが分かります。 陽電子についての同様の比較を視射角2.1°について行いました（図３(2)）。 今度は吸着原子層と第1原子層までを対象とした(b)と、第2原子層までを対象とした(c) の間にも違いが見えています。 そして、(c)と結晶全体を対象とした(d)はほとんど見分けがつかないことから、陽電子が第2原子層まで達していることが分かります
図３ Si(111)-(7×7)表面から得られる回折パターン（シミュレーション）
また電子について同様に計算、比較しました（図３(3), (4)）。 電子の場合は、視射角1.3°でも2.1°でも(c)と(d)に違いがあることから、電子が第2原子層よりさらに下まで侵入していることが分かります。 論文では回折パターンどうしの以上のような類似や相違を表す関数を定義して、客観的に示しています。
以上の結果から、陽電子は電子に比べて結晶内への侵入が浅く、 特に全反射角より小さな視射角で入射すると最表面に露出した原子だけによる回折パターンを示すこと、また全反射条件から少しずつ視射角を大きくすることで、 最表面の下に隠れた表面第2原子層まで、第3原子層まで、と次々に各層からの原子配列の情報を含む回折パターンが得られることが分かりました。 このようにTRHEPD法では、注目する最表面及びすぐ下の原子層以外からの情報を含まない回折パターンを得ることができます。