X線のレーザーを100〜400アト秒まで短く。電子の動きを追う光が硬X線でも

1アト秒は100京分の1秒です。この時間幅で点滅するX線レーザーの生成に成功し、その幅を精密に測ることにも成功したと、東京大学、大阪大学、理化学研究所と科学技術振興機構（JST）が10月27日に発表しました。研究グループは、アト秒X線レーザーの実現を示す初めての成果としています。論文は英科学誌Nature Photonicsに10月20日付で掲載されました。

発表されたこと

研究グループは、時間幅が1フェムト秒（1000兆分の1秒）より短い電子のかたまりを、アンジュレータと呼ばれる周期的に並べた磁石の列に通して、X線レーザーを生成しました。生成したX線を物質に当てたときに出る特殊な蛍光の強さを測り、理論計算と比べることで時間幅を評価したところ、ほぼすべてのパルスが100〜400アト秒程度でした。

研究は、東京大学の井上伊知郎特任准教授（理研の放射光科学研究センターのユニットリーダーを兼務）、大阪大学の山田純平准教授、理研の矢橋牧名センター長らの国際共同研究グループによるものです。JSTのさきがけと創発的研究支援事業の支援を受けています。

DEEPPOINTの解説

アト秒のパルスを硬X線でも実現

図1　1フェムト秒以下の電子から100〜400アト秒の硬X線をつくる流れ

アト秒の光パルスは、2023年のノーベル物理学賞の対象になった技術です。ただ、その方式で作れるのは紫外線から軟X線までで、物質の奥深くまで通る硬X線では実現していませんでした。今回はX線自由電子レーザーという、電子ビームそのものを光源にする装置を使うことで、発表の言葉でいう「短波長側の限界」を越えたことになります。

日本の発表には実験した施設の名前がありません。論文の共著者である米SLAC国立加速器研究所は10月20日の発表で、同研究所のX線自由電子レーザーLCLSで実験し、X線のエネルギーは約9キロ電子ボルト、時間幅は銅のはくに150ナノメートルまで絞ったX線を当てて出る蛍光（増幅自然放出）で測ったと説明しています。測定法を提案したのが井上氏だとしており、日本側の貢献は、光を作ることに加えて「本当に短いと証明する」ところにあります。

測れて初めて実験の道具になる

強いX線は、構造を写し取る前に物質の電子の状態を変えてしまいます。アト秒のパルスなら壊れる前に撮り終えられる、というのがこの分野の長年の狙いでした。問題は、作ったパルスが本当に数百アト秒なのかを確かめる方法がなかったことで、今回の測定法はその穴を埋めるものです。同じ井上氏が筆頭著者の別の論文（10月16日に欧州XFELが発表、Optica誌）でも推定300アト秒のパルスで強度の記録を出しています。

国内には理研のX線自由電子レーザー施設SACLAがあります。今回の測定法がSACLAでも使えるようになれば、国内の利用者もアト秒の実験に取り組みやすくなります。