高知工科大学と金沢工業大学、大阪公立大学の研究グループは、光を当てると物質の構造や性質が変化する「光誘起相転移」の初期プロセスを世界で初めて原子スケールで観察することに成功した。

「光照射によって、物質が初期構造からどのようなプロセスを経て相転移に至るのか」という問題は、理論的な考察はなされているものの直接観察した例はなかった。それはこれまでの研究が、主に光照射による物質のマクロな構造や物性の変化に焦点を当てており、相転移に伴う原子レベルでのミクロな変化を捉えられていなかったためだ。

そこで研究グループは、物質表面を超高解像度で観察できる走査型トンネル顕微鏡を活用して、光誘起相転移に伴う構造の変化を原子レベルで直接検出しようと試みた。実験では炭素原子から成る「黒鉛(グラファイト)」が光照射によって「ダイヤファイト」と呼ばれる秩序構造へ相転移する現象を対象としている。

その結果、光を照射した黒鉛上では、始めにわずか２個の炭素原子から成る０．５ナノメートル程度の核が形成されること、さらにその核が周辺へ拡大しながらドメインを形成し、そのサイズが約５ナノに達すると、構造が黒鉛からダイヤファイトへ大きく変化することを明らかにした。

さらに、相転移プロセスが、当てる光の波長に依存して大きく変化することを発見したという。短い波長の光を当てると、黒鉛上で核が効果的に形成されるが、長い波長の光を当てると、核の形成よりも核がドメインへ拡大するプロセスが優先的に生じた。この結果は、光のチューニングにより、相転移の一連のプロセスを原子レベルで制御できること示している。

研究グループは「このような原子スケールでの知見をさらに蓄積していくことで、光で特定の相転移を選択的かつ効率的に引き起こせるようになる」と力を込めていた。