理化学研究所は，X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」を使い，X線の光の粒子（光子）がゲルマニウム原子に2個同時に吸収される「2光子吸収」過程の観測に成功した。
これは，理研放射光科学総合研究センター・ビームライン研究開発グループ理論支援チーム・専任研究員の玉作賢治氏，グループディレクターの矢橋牧名氏と，分子科学研究所極端紫外光研究施設・教授の繁政英治氏，大阪大学大学院工学研究科・教授の山内和人氏，東京大学大学院工学系研究科・准教授の三村秀和氏，高輝度光科学研究センター・副主席研究員の大橋治彦氏らを中心とした共同研究グループによる成果。
左：昨年報告した逐次的な2光子吸収では緩和を伴う中間状態を経由した1光子吸収が連続して2回起きる。このため2つ目の光子が多少遅れて当たっても上の状態に上がることができる（上）。逐次的な2光子吸収の模式図。途中に段があって1段ずつ登ることができる（下）。
参照：2013年7月23日プレスリリース「X線を2回当てて「中空原子」の生成に世界で初めて成功」
右:今回初観測に成功した2光子吸収では、2つの光子は数百ゼプト秒という極めて短い時間に同じ原子に当たって吸収される（上）。2光子吸収では途中で休憩する段はない。また、強力なX線によって段（試料）そのものが破壊されていく（下）。
我々が目にする色は，光が物質によって吸収されることで生じる。この過程は，通常，原子1つに対して光子1つひとつが独立に吸収されることで生じ，可視光領域だけでなくX線領域でも同様に起こる。しかし，X線を非常に強くすれば，つまり，X線光子を狭い時空間に大量に押し込むことができれば，数百ゼプト秒という極めて短時間に2つのX線光子を同じ原子に当てて，ほぼ同時に吸収させることができる。ただし，X線の2光子吸収の確率は可視光領域に比べて10桁以上低いため，実現は極めて困難だと考えられてきた。
共同研究グループは，SACLAのX線ビームを約100ナノメートルまで絞り込み，超高強度X線をゲルマニウム試料に照射し，2光子吸収を起こすことに成功。また，2光子吸収と並行して，超高強度X線による試料の破壊がフェムト秒の速さで進むことを明らかにし，試料が壊れていく過程をコンピュータ上でシミュレーションすることで，壊れる前の物質が本来持っていた固有の情報の抽出に成功した。
X線の強度（パルスエネルギー）が強くなる右側で、実験データ（青）は単純な2乗の予測（緑）より下側にずれていく。X線による試料の破壊過程を組み込んだシミュレーション（赤）を行うと、実験データを正しく再現できる。
この研究成果はX線領域における非線形光学の重要なステップであるとともに，試料を破壊するほど強力なX線で，破壊される前の試料固有の情報を得る方法を示した点でも，XFELを使った微小なタンパク質結晶の構造解析をはじめとする幅広い利用研究を可能にするとしている。
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