SAGA-LSら,放射光でフェムト秒緩和過程を追跡

九州シンクロトロン光研究センター(SAGA-LS),富山大学,広島大学らは,極端紫外領域の放射光を用いて,キセノン原子の内殻空孔状態が起こす数フェムト秒の電子的な緩和を追跡することに成功した(ニュースリリース)。

極端紫外より短い波長の光を原子に照射すると,原子内部に強く束縛された内殻電子を外側の軌道へと励起することができる。内殻軌道に空孔が生じた原子は高いエネルギー状態にあって非常に不安定なため,フェムト秒からアト秒という極めて短い時間スケールで外側の軌道を周回する電子が内殻空孔を埋めて安定化する。

内殻空孔状態の緩和による電子やイオンの生成は,放射線と物質との相互作用でも起こっている。そのため,その理解は,生体分子の放射線損傷の初期過程の解明にも役立つ可能性があるという。

今日では放射光による内殻電子の励起は,物質の構造を分析する手段として基礎科学から産業利用までの幅広い研究分野で利用されている。放射光は100ピコ秒程度の時間幅を持つパルス光だが,この光パルスの時間幅は放射源である電子集団の空間的な拡がりで決まっており,それをフェムト秒スケールまで短くすることは原理的に難しい。

そのため,内殻空孔状態の緩和のようなフェムト秒からアト秒の時間スケールで進行する超高速反応を放射光を使って時間追跡できるとは考えられてこなかった。

今回,研究グループは光源にアンジュレータという装置を用いた。この装置では電子は磁石で水平方向に揺さぶられて,ごく短い時間だけ継続する電磁波を放出する。今回の研究で用いたアンジュレータでは電子が放出する電磁波は正確に10回だけ振動する短い波(波束)で,波束の長さは約2フェムト秒だった。

このアンジュレータを2台使えば,波束ペアを作りだすことができ,その波束間の時間間隔はアト秒精度で調整できることができる。実験では極端紫外領域で二つの放射光波束を作り,2フェムト秒だけ継続するその時間差を数アト秒の精度で制御することにより,キセノン原子に生じた内殻空孔の電子移動による緩和を追跡することに成功した。

これは最先端のレーザー技術でのみ可能と考えられていたフェムト秒スケールで進行する電子的な緩和過程の時間追跡が,放射光を用いても可能なことを示した世界初の成果だという。

研究グループは放射光の短波長特性を利用し,様々な物質の超高速反応の研究へこの手法を応用することで,機能材料や高速動作デバイスの開発,生体分子の放射線損傷の解明へも役立つことが期待されるとしている。

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