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近年、ナノテクノロジーを利用して、次世代の新機能・超高速デバイスを創成・開発する試みが盛んです。しかし、構造の微細化が進むほど、微小領域の構造やキャリア^1）の高速な動的現象などを正確に理解し、作製・製造方法にフィードバックする必要があります。そのため、ナノメートル（1nmは10億分の1m）領域の超高速現象を構造と併せて観察・評価する計測技術が求められています。
1981年に発明された走査トンネル顕微鏡法（STM）^2）は、固体表面の原子の配列まで観察できる高い空間分解能を持つことから、上記計測技術の最有力候補でした。しかし、時間分解能は通常ミリ秒（1000分の1秒）程度が限界で、高速の現象を観察できませんでした。一方、光学の分野では、超短パルスレーザーを利用してフェムト秒（1000兆分の1秒）の超高速現象を観察できる光学的ポンプ・プローブ法（OPP法）^3）が開発されました。しかし、この方法では、一般的に試料上のレーザー光が照射される領域の情報が平均化されてしまい、原子レベルの観察は不可能でした。そこで、STMの発明以来、これら2つの技術を融合し、時間と空間の両方で高い分解能を持つ計測技術の開発競争が起きていました。しかし、様々な問題により、これまで実現できていませんでした。最大の課題は、レーザー光を照射した試料表面をSTMで観察する際、試料とSTM探針が熱膨張し、両者間の距離が変わってトンネル電流の正しい測定ができない熱の問題でした。

重川秀実氏は、2000年頃よりSTMとOPP法を組み合わせる研究に着手し、新しい顕微鏡の開発に取り組んできました。そして最大の課題であった熱膨張の問題を、レーザー光の平均的な強度を一定に保ちながらパルス対照射の時間間隔を変調してロックイン検出^4）する遅延時間変調型STM^5）を開発することで克服しました。その後、パルスピッキング法^6）を遅延時間の変調に取り入れ測定時間を短縮することで信号の画像化が可能となり、2010年には世界に先駆け、STMの空間分解能を保ちながら、フェムト秒の時間分解能を持つ顕微鏡を完成しました。重川氏はこの顕微鏡を用いて、GaAs表面の唯1個のMnやFe原子の不純物準位が正孔を捉える過程の測定や、GaAs半導体のPIN構造^7）内の電界でキャリア密度分布が変化する様子を画像化することに成功しました。さらに顕微鏡に電子スピン^8）の情報を得る機能を追加し、2014年には幅6nmの単一のGaAs/AlGaAs量子井戸構造^9）内で励起・配向された電子スピンが乱れていく様子を世界で初めて示すとともに、電子スピンの歳差運動^10）を実空間で観察することにも成功しました。
本技術は、今後ナノデバイスやスピントロニクス^11）分野の開発、ナノ物性の基礎研究などで重要な役割を果たすことが期待されています。

上記の革新的な顕微鏡技術を開拓した業績は、科学計測およびその周辺の領域における基礎研究において著しい成果を挙げたものとして高く評価されます。