東京大学、理化学研究所、大阪大学などの国際共同研究グループは、硬X線領域でアト秒X線レーザーの生成と、その時間幅の精密測定に成功した(ニュースリリース）。生成したのは、極めて短い時間幅を持つX線レーザーパルスで、時間幅は約100～400アト秒と評価された。
アト秒X線レーザーの時間幅の測定法のイメージ図
硬X線は、波長の短い電磁波で、波長が物質中の電子の空間的広がりや原子間の距離などと同程度であり、電子の分布や原子構造を調べるのに適している。さらに、X線のエネルギーを適切に選ぶことで、特定の元素の電子状態に着目できるため、パルス幅をアト秒まで短縮できれば、物質中の超高速な電子ダイナミクスを捉えられると期待されていた。
従来、アト秒光パルスは、強いレーザーを原子や分子に当て、元の光より波長の短い光を生む「高次高調波発生」という現象を利用してつくられてきた。しかし、この方法は波長が短くなるほど発生効率が著しく低下し、さらに短波長の硬X線への展開が難しかった。
研究グループは、この課題に対し、米国のX線自由電子レーザー施設「LCLS」を利用した。このレーザーは、光速近くまで加速した電子を、周期的に配置された磁石列「アンジュレータ」に通し、非常に明るいX線レーザーを発生させる光源である。電子加速器を精密に制御して、時間幅が1フェムト秒以下の電子パルスをつくり、極めて短いパルス幅のX線レーザーを生成した。
もう一つの課題は、生成したパルス幅を測定することだった。硬X線では、光の電場の強さに比例しない応答が物質に生じる非線形光学現象の信号が非常に弱く、従来の測定法を適用しにくい。そこで、物質中の多くの原子が同時にエネルギーを受け取ると、高いエネルギー状態になり、特定の方向に強い蛍光を放つ「ASE」という現象に着目した。
図1 実験結果とシミュレーションの比較
ASEを観測するには、X線パルスを非常に小さな領域に集中させ、高い光強度を実現する必要がある。このため、日本のX線自由電子レーザー施設「SACLA」で開発されたX線集光ミラーをLCLSに導入し、ASE信号の観測に成功した。測定した蛍光の強度を、パルスの時間幅を仮定した理論計算と比較したところ、パルスエネルギーが2マイクロジュール以上では、ほぼすべての実験値が100～400アト秒のパルス幅を仮定したシミュレーション結果の範囲内に分布した。今回の結果は、1フェムト秒より明確に短いアト秒X線パルスの生成を裏付ける。
今回実証したのは、アト秒X線パルスの生成と、その時間幅の評価である。今後は、原子や分子の内部で起こる電子の超高速な動きを捉える観測手段として、物質科学や化学、生物学での活用が期待される。
