科学者が革新的な集中超短X線パルスを開発し、前例のない強度記録を達成

電子は原子や分子内部で非常に速く動いており、その挙動を研究するためには、10億分の1の10億分の1秒という極めて短い時間の光の閃光が必要である。現在、科学者たちはこれらの超短X線閃光を微小な点に集中させ、サンプルに当たる際により多くのエネルギーを持たせる方法を見つけた。ヨーロッパX線自由電子レーザー（European XFEL）の実験において、研究者たちは硬X線アト秒パルスの強度とフラックスの新記録を達成した。そのピーク強度は10²⁰ワット毎平方センチメートルを超えた。

東京大学の主任研究員井上 一郎は、「これは硬X線アト秒パルスにおける強度とフラックスの世界記録である」と述べた。この進展は、科学者が電子が強光にどのように反応するかを研究するのに役立ち、最終的には化学反応過程でそれらを制御する方法を探ることにつながる可能性がある。

先進的な光学システムを用いたX線の集中

実験は2026年4月に行われ、約300アト秒のX線閃光が使用された。アト秒は10億分の1の10億分の1秒であり、これによりこれらのパルスは電子に関わる最も速い過程を研究するのに利用できる。研究者たちは、2つの精密な鏡からなる先進的なKirkpatrick–Baez（AKB）光学システムを通じてパルスを導いた。各閃光は鏡で4回反射される。一方の鏡はX線を垂直に集中させ、もう一方は水平方向に集中させ、光束をわずか180 × 330ナノメートルの領域に集めた。

簡単に言えば、研究者たちはX線を典型的な人間の髪の毛の断面の100,000倍小さな領域に集中させた。この成果は、ヨーロッパXFELの初期研究に基づいており、そこで研究者たちはキロワット級の硬X線アト秒パルスを示した。しかし、強力なパルスを生成することは問題の一部に過ぎない。エネルギーはサンプルに必要な効果を生み出すために十分に集中した形で到達する必要があり、これは微小スケールの物質を研究するための他のX線レーザー技術が直面する課題でもある。

研究者の一人である顏 嘉偉は、「数年前、私たちはヨーロッパXFELでキロワット級の硬X線アト秒パルスを示しました。しかし、強力なパルスを生成することは第一歩に過ぎません。実験にとって本当に重要なのは、私たちがサンプルに提供できる結果です。この進展により、私たちはアト秒X線を利用してX線と物質の間の高度な非線形相互作用を探求できるようになりました」と述べた。

強度を独立して確認するために、研究チームはX線パルスを銅箔に向け、その原子から放出される光を調べた。入射したX線は銅原子の深い内殻から電子を叩き出し、空位や孔を残す。外殻の電子はその後、これらの空位に入り込み、エネルギーを放出してX線の形で発射される。十分に強い照明の下で、この放出は他の励起された銅原子が同じ方向に進むX線を放出するのを刺激する。この結果生じる増幅効果は、より強く、より集中した信号を生成する。このプロセスは増幅自発放出（ASE）と呼ばれ、X線レーザーにおける放出プロセスに関連する現象である。

この実験のプロジェクト責任者であるアンダース・マデソンは、「このプロセスを見ることはほとんど魔法のようです。通常の蛍光は入射光束の方向に関係なく、あらゆる方向に散乱します。しかし、ASEの閾値を超えると、光束が前方に集中し始めるのが見えます」と述べた。

初めは、研究者たちがパルスエネルギーを増加させるにつれて、ASE信号は急速に増加した。しかし、より高いエネルギーでは、信号は安定し始め、この挙動は飽和と呼ばれる。この反応は、パルスエネルギー、持続時間、焦点サイズに基づいて推定された極めて高い強度と一致し、計算の独立した確認を提供する。

強X線パルスの潜在的な応用

この成果は、研究者が電子が原子や分子の中でどのように振る舞うか、また物質が強X線照明にどのように反応するかを研究するのに役立つ可能性がある。長期的には、これらの研究が化学反応過程における電子の制御に貢献する可能性がある。研究者たちは、化学反応過程における電子や原子のイメージングを含む、これらの急速な変化を捉える方法を探求している。しかし、この実験は強X線パルスの生成と検証を示しており、反応過程における電子の直接的な制御ではない。現在、研究者たちは日本から持ち込まれたAKB鏡システムを使用している。

ヨーロッパXFELは2027年初頭に独自のシステムを取得する予定である。設置とテストが完了すれば、このシステムはこれらの短く強力なX線閃光を、世界中の研究者がMID装置を使用するために利用できるようにする。

この技術が電子研究に与える影響

この技術の突破口は、極短のX線パルスを集中させる能力にあり、これは電子が原子や分子の中でどのように振る舞うかを研究する上で重要である。強度とフラックスが向上することで、科学者たちは電子が強光照射下でどのように反応するかをより深く探求でき、将来的には化学反応過程における電子の制御が実現する可能性がある。これは基礎科学の発展を促進するだけでなく、材料科学や化学反応の応用に革命的な影響を与える可能性がある。