要約:
欧州 XFEL (欧州 XFEL) 研究チームは、わずか約 300 アト秒しか持続しない超短硬 X 線フラッシュの生成に成功し、強度とエネルギー密度の点でそのようなパルスの世界記録を樹立したと発表しました。この結果は、科学者が原子や分子内の電子の動的挙動をこれまでにない精度で観察するのに役立つと期待されています。関連する研究成果は「Optica」に掲載されています。
科学者は、化学反応をより深く理解し、将来的には電子の挙動の積極的な制御を実現するために、原子や分子内の電子の動きを理解することを長い間望んできました。 X線は電子の動きを研究するための重要なツールですが、高エネルギー放射線自体も検査対象のサンプルを変化させる可能性があるため、研究者はサンプルに顕著な変化が起こる前に十分な情報を入手する必要があります。
この実験では、研究チームは、通常の人間の髪の毛の断面積の約 10 万分の 1 である非常に小さな領域に X 線パルスを集中させました。各パルスの持続時間は約 300 アト秒ですが、これは 10 億分の 1 秒に過ぎません。この実験は、極めて短い波長の硬X線を使用し、欧州のXFEL施設のMID実験ステーションで2026年4月に完了した。
この研究に参加したドイツ電子シンクロトロンセンター(DESY)の科学者ヤン・ジアウェイ氏は、同チームは数年前にテラワットレベルの硬X線アト秒パルスを実証したが、強力なパルスの生成は最初のステップにすぎないと語った。本当に重要なのは、このエネルギーを実験サンプルに効果的に供給できることです。この画期的な進歩により、科学者はアト秒レベルの X 線を使用して、X 線と物質の間の高度な非線形相互作用を研究できるようになりました。
極端な焦点合わせを実現するために、研究者らは日本の先進的なカークパトリック・バエズ光学システム (AKB) を使用しました。各 X 線パルスは 4 回の反射を受け、2 つの超高精度ミラーがそれぞれ垂直と水平の集束を担当します。最終的に、X 線はわずか 180 x 330 ナノメートルの小さな焦点領域に圧縮されます。
研究チームは、パルスのエネルギー、持続時間、焦点サイズの計算に基づいて、そのピーク強度が平方センチメートルあたり 10²⁰W を超えたと推定しました。東京大学の研究者である井上一郎氏は、この結果は強度とエネルギー束の点で硬X線アト秒パルスの世界記録を破るものであると述べた。その中で、エネルギー束は単位面積あたりに受け取られるエネルギーを測定するために使用され、強度はこのエネルギーがどのくらい早く放出されるかをさらに反映します。
この計算を検証するために、研究者らはこれらの超強力パルスを銅箔サンプルに照射しました。 X線は銅原子の深い内殻から電子を叩き出し、電子空孔を形成します。他の電子がこれらの空孔を埋めると、新しい X 線放射が放出されます。十分に高い強度では、これらの放射線は他の励起された銅原子を誘導して同じ方向により多くの X 線を放出させ、増幅自然放出 (ASE) として知られる現象を引き起こし、信号増幅を実現します。
MID 実験ステーションの所長、アンダース マドセン氏は、この現象を観察するのはほとんど魔法のように感じられると述べました。通常の蛍光は、入射ビームの方向に関係なく、全方向に放射されます。 ASE のしきい値を超えると、研究者らはビームが徐々に縮小し、前方向に集中しているのをはっきりと確認できます。
実験結果によると、パルス エネルギーが増加すると、ASE 信号は最初は急速に増加し、その後、より高いエネルギーで飽和する傾向にあります。研究者らは、この飽和現象は極めて高いX線強度でのみ発生するため、以前に計算された超高強度の独立した検証が可能になると指摘した。
欧州の XFEL は、2027 年初めに独自の AKB 集束システムを受け取り、設置する予定です。研究者によると、システムが設置されデバッグされた後は、世界中の科学研究チームが MID 実験ステーションを使用して同じ短く強力な X 線フラッシュを取得できるようになり、超高速物理学、材料科学、化学反応速度論、非線形 X 線科学研究の新たな可能性が開かれることになります。
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