SLAC研究チームが有史以来最短の高エネルギーX線パルスを創造、時間は400フェムト秒未満

SLACのLinac Coherent Light Source (LCLS)研究者は、X線自由電子レーザー (XFEL) において記録された最短の高エネルギー（“ハード”）X線パルスを生成し、測定した。この研究は、高光子エネルギー（約9 keV）でのパルス持続時間が100から400アト秒の間であることを確認した。これらの“ハード”X線フラッシュは、量子物質を観察し制御する方法を根本的に変えた。科学者たちは、これらの超短パルスを利用して、原子内部や密集プラズマ中の電子のリアルタイムの動きを捉えている。

これらの超短パルスは、科学者が放射線による損傷を超えて完璧な構造を観察することを可能にする。「これは、LCLSでアト秒ハードX線を使用したい研究者にとって重要なマイルストーンです」と東京大学の井上伊知郎教授は述べた。

アト秒パルスの生成と測定

アト秒パルスの生成は極めて困難であり、パルスを測定することはさらに難しい。「数年の間に、私たちはこれらの高エネルギーのアト秒パルスを生成する方法を学びましたが、これほど短いパルスを測定することは本当に非常に困難です。これは、パルスが実際に数百アト秒の長さであることを証明する最初の診断ツールです」と研究著者でSLACの教授であるAgostino Marinelliは説明した。解決策は、主著者の井上が提案した、増幅された自発放出（ASE）を使用した間接測定技術から来ている。ASEは基本的にX線ビームを分割してそのエネルギースペクトルを直接測定し、残りの光を銅箔に集中させて前方蛍光を生成する。

研究者たちは、SLACのLinac Coherent Light Sourceをテストするために高エネルギービームを発射し、それを二つの経路に分けた。一部はエネルギースペクトルを記録する検出器に直接到達し、残りの光は銅箔上の150ナノメートルの点に集中して蛍光放射を生成した。二つの検出器からの測定を組み合わせることで、チームはパルスの正確で瞬時の持続時間を計算することができた。この技術はアト秒科学を約9キロ電子ボルトの光子エネルギー範囲に拡張し、5キロ電子ボルト以下で運用されていたソフトX線実験を超える飛躍的な進展となった。

なぜこれらの超短ハードX線がそれほど重要なのか？深さと速度である。低エネルギーのソフトX線は原子外殻の化学結合を観察するのに適している。高エネルギーのハードX線（5キロ電子ボルト以上）は密集した物質に深く入り込み、科学者が電子の位置を原子精度で特定することを可能にする。「プラズマ物理学は非常に混沌としている。通常、私たちはサンプルを励起し、その後システムが測定を行う前にリラックスして再構成される。私たちはしばしばモデリングに依存し、実際に何が起こっているのかについて仮定を立てざるを得ない」とオックスフォード大学の物理学者Sam Vinkoは述べた。

アト秒ハードX線の応用

科学者たちは現在、慣性核融合エネルギー実験などの極端なシステムを対象にし、ぼやけたり進化する前の冷凍コア励起状態をキャッチすることができる。X線は通常、スキャンする精細なサンプルを破壊するが、アト秒ハードX線はその速度のためにこの破壊を防ぐ。フラッシュが損傷や崩壊が発生する前に終了するため、研究者はシステムの未損傷状態のスナップショットを撮影することができる。ハンブルク大学のTais Gorkhoverは、この能力がナノスケールのイメージングを改善するだけでなく、光と物質の相互作用を完全に制御し、さらには逆転させる可能性があると考えている。

SLACの最新のマイルストーンは量子力学に新たな時代を切り開き、研究者に原子崩壊よりも速いカメラのシャッターを提供する。

アト秒ハードX線が量子研究に与える影響

アト秒ハードX線の発展は、量子力学研究における重要な進展を示しており、サンプルを損傷することなく瞬時の現象を捉えることができる。これにより、科学者は特に高エネルギーや密集物質に関わる量子システムをより正確に観察し制御することができる。技術の進歩に伴い、今後の研究では原子や分子レベルの動的挙動を深く探求することが可能となり、材料科学やエネルギー研究などの分野において重要な意義を持つ。