コンスタンツ大学の科学者は、フェムト秒フラッシュを使用して約5アト秒持続する電子パルスを生成する方法を開発しました。この画期的な進歩により、光波よりも高い時間分解能が得られ、核反応などの超高速現象を観測する道が開かれます。これは、物理学者がこれまでに生成した信号の中で最も短い信号の 1 つでもあります。
自然界の分子または固体のプロセスは、フェムト秒 (10 億分の 4 秒) またはアト秒 (10 億分の 5 秒) という短い時間スケールで発生することがあります。核反応はさらに速くなります。現在、コンスタンツ大学の科学者マキシム・ツァレフ、ヨハネス・サーナー、ピーター・バウムは、新しい実験装置を使用してアト秒、つまり10億分の1ナノ秒の持続時間の信号を実現し、超高速現象の分野に新たな展望を切り開いている。
単一の発振に時間がかかりすぎるため、光波でもこのような時間分解能を達成することはできません。電子は時間分解能を大幅に向上させることができるため、解決策となります。コンスタンツの研究者らは実験装置で、レーザーからの一対のフェムト秒フラッシュを使用して、自由空間ビーム内に極めて短い電子パルスを生成しました。この研究結果は、Nature Physics 誌に掲載されました。
科学者はどのようにしてこれを行うのでしょうか?
水の波と同様に、光の波も重ね合わせて定在波または進行波の山と谷を作成できます。物理学者は、真空中を光の半分の速度で移動する共鳴電子が、まったく同じ速度で移動する光波の山と谷と重なるように、入射角と周波数を選択しました。いわゆる「思考の勢い」が電子を次の波の谷の方向に押します。したがって、短い相互作用の後、特に電場が非常に強いパルスシーケンスの途中で、一連の非常に短い電子パルスが生成されます。
短時間であれば、電子パルスは約 5 アト秒しか続きません。このプロセスを理解するために、研究者らは圧縮後の電子の速度分布を測定しました。物理学者のヨハネス・トゥルナー氏は次のように説明しています。「出力パルスの速度はあまり均一ではなく、非常に広い分布をしています。これは、圧縮プロセス中の一部の電子の強い減速または加速の結果です。さらに、この分布は滑らかではありません。一度に電子と相互作用できる光の粒子のペアは整数個だけであるため、この分布は数千の速度ステップで構成されています。」
研究の意義
科学者は、量子力学の観点から、これは、異なる時間に同じ加速を経験した後の電子と電子の時間重ね合わせ（干渉）であると述べました。この効果は、電子と光の相互作用などの量子力学的実験に関連しています。
また、静止質量がゼロの質量電子と光粒子（光子）の総エネルギーと総運動量は一定に保つことができないため、光線のような平面電磁波は一般に真空中の電子に永久的な速度変化を引き起こすことができないことも注目に値します。しかし、この問題は、光の速度よりも遅い波の中に 2 つの光子が同時に存在することによって解決できます (カピッツァ・ディラック効果)。
コンスタンツ大学の物理学教授で光と物質グループの責任者であるピーター・バウム氏にとって、これらの結果は明らかにまだ基礎研究であるが、将来の研究への大きな可能性を強調している。「異なる時間間隔で2つの短いパルスによって材料に衝撃を与えた場合、最初のパルスは変化を誘発し、2番目のパルスは観察に使用できます。これはカメラのフラッシュと同様です。」
最大の利点は、実験原理に材料が関与しておらず、すべてが自由空間で行われることであると彼は考えています。原理的には、将来的には、あらゆる出力のレーザーをより強力な圧縮に使用できる可能性があります。 「私たちの新しい二光子圧縮技術により、時間の新たな次元に入ることができ、さらには核反応プロセスを撮影することも可能になります」とボーム氏は述べた。