東大ら，世界最短波長の原子準位レーザーを実現

東京大学，電気通信大学，理化学研究所，高輝度光科学研究センター，大阪大学，京都大学の研究グループは，世界最先端のX線自由電子レーザー施設「SACLA」の技術を利用して，通常の電気配線などに使われるような銅箔が，理想的なX線レーザー光を生成することを世界で初めて見出した（ニュースリリース）。このレーザーは，硬X線領域で初めて実現された，世界最短波長の原子準位レーザー。

レーザーの発生方式には大きく分け，原子や分子にエネルギー準位差を使う方法（原子･分子準位レーザー）と，真空中の自由電子を使う方法（自由電子レーザー）の二通りがある｡前者の方式は，可視～近赤外域で多く用いられるが，X線を含む短波長領域への応用は困難だった｡

一方，後者は，原理的に波長の制約がなく，最近の技術開発によって，SACLAをはじめとするX線自由電子レーザー（XFEL）が実現し，大きな成果を挙げている｡しかし，原子準位レーザーは絶対波長の決定や物質との強い共鳴などの光特性をもつため，依然として短波長領域での実現が強く期待されていた｡

X線領域の原子準位レーザーを実現するためには，原子を取り巻く電子のうち，最も原子核に近い電子を効率的に取り除く必要がある｡研究グループは，X線自由電子レーザー施設「SACLA」の「2段集光光学システム」を使って，この特異な状態をつくり出すことに成功した｡

具体的には，「SACLA」からのX線を2段集光により100nm程度に集光し，1平方センチメートル当たり1019ワット(W)というこれまでの SPring-8などのX線よりも10桁以上強い強度のX線を生成した｡このX線を，厚さ20μm銅箔に照射し，銅箔が発光するX線 (Kα線) の特性を計測した｡

入射強度が，1平方センチメートル当たり2×1019 Wを超えたところから，指数関数的にKα線の強度が増大することを観測した。さらに，この増幅が起きている場所にSACLAからの2本目のX線を入射し発光スペクトルを計測したところ，1.7eV という狭いスペクトル幅において選択的にX線の強度が増大していることがわかった｡

この原子準位レーザーのもつ波長1.5オングストロームは，従来の1/10以下という極めて小さい値であり，世界で初めて硬X線領域の原子準位レーザーを実現したことが確認された。

この過程には，光で原子を制御することが可能な強い誘導放出を用いる。これにより，自然界が決める原子内のエネルギーの流れのルールすら変更可能であることを，X線の領域で初めて観測した。

今回の研究では，原子から理想的なX線レーザーを発生させることに成功した。このスペクトルを詳しく調べることによって，原子準位レーザーの特異な振る舞いの解明が進むと期待されるという｡

さらに今後，さまざまな原子を使って，波長が正確に決まったX線レーザーを発振させることができる。このレーザーの媒質のサイズは50nm，直径で10µmの長さしか必要としない｡さまざまな材料がX線レーザーとして利用可能になると期待される。

将来は，これまでみつかった可飽和吸収体や光導波路効果などを併用して，集積化されたデバイスから所望するX線を取り出せる時代が来ると研究グループはしている。