【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　教授　野村悠祐
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• スピンと軌道回転運動の間に強い相互作用が働く「4f電子」の空間分布を、世界で初めて可視化しました。
• 電子のスピン（自転）と軌道回転（公転）が互いに強く結びついた特異な状態を、放射光X線で直接観測しました。
• 磁石材料や量子コンピュータ材料など、次世代技術の基盤となる電子状態の理解に大きく貢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電子」（注2）の空間的な広がりを世界で初めて直接観測しました。

本研究グループは、大型放射光施設SPring-8（注3）（BL02B1ビームライン）でのX線回折実験（注4）と、独自に開発した「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組み合わせることで、4f電子の空間分布を可視化することに成功しました。4f電子はスピン（自転）と軌道回転（公転）の運動が互いに強く結びついており、その相互作用は物質の磁気的性質や量子材料としての振る舞いを決める重要な要素です。今回の成果は、これまで間接的にしか確認できなかった4f電子の姿を直接「可視化」したものであり、今後、磁石材料や量子コンピュータ材料の研究開発に貢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日付で掲載されました。

スピン-軌道相互作用が強い4f電子の空間分布

【用語解説】

（注1）ランタノイド元素
原子番号57のランタン（La）から71のルテチウム（Lu）までの15種類の元素の総称。いずれも化学的性質がよく似ており、希土類元素（レアアース）に分類される。

（注2）4f電子
電子は原子核の周りを決まった軌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「s軌道」「p軌道」「d軌道」に加えて、ランタノイド元素ではさらに「f軌道」があり、そのうち4f軌道は原子の奥深くに局在する。この4f軌道に入っている電子のことを4f電子という。

（注3）大型放射光施設SPring-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）X線回折実験
X線を用いて結晶構造を調べる実験手法の一つ。X線を試料に照射し、どの方向にどのような強さでX線が散乱したかを測ることで、試料の中の原子の並び方や原子間の距離を決定する。

（注5）コア差フーリエ合成（core differential Fourier synthesis；CDFS）法
X線回折実験による電子密度解析手法の一種。実験的に得られる情報から、計算で得られる内殻（コア）電子の寄与を差し引くことで、価電子の情報のみを抽出する方法。

【論文情報】

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: 10.1073/pnas.2500251122

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所　
教授　野村 悠祐
TEL：022-215-2005
Email：yusuke.nomura*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（取材?報道に関すること）
東北大学 金属材料研究所　情報企画室広報班
TEL：022-215-2144
Email：press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）