プレスリリース

2015.08.27

世界最短波長の原子準位レーザーを実現 -金属銅箔から理想的なX線レーザー光が発生-:精密工学専攻 三村 秀和 准教授

電気通信大学(学長:福田 喬)、理化学研究所(理事長:松本 紘)、高輝度光科学研究センター(理事長:土肥 義治)、東京大学(総長:五神 真)、大阪大学(総長:西尾 章治郎)、京都大学(総長:山極 壽一)の研究チームは、世界最先端のX線自由電子レーザー施設「SACLA」の技術を利用して、通常の電気配線などに使われるような銅箔が、理想的なX線レーザー光を生成することを世界で初めて見出しました。このレーザーは、硬X線領域で初めて実現された、世界最短波長の原子準位レーザーです。

レーザーの発生方式には、大きく分けて、原子や分子にエネルギー準位差を使う方法(原子・分子準位レーザー)と、真空中の自由電子を使う方法 (自由電子レーザー)の二通りがあります。前者の方式は、可視~近赤外域で多く用いられますが、X線を含む短波長領域への応用は困難でした。 一方、後者は、原理的に波長の制約がなく、最近の技術開発によって、SACLAをはじめとするX線自由電子レーザー(XFEL)が実現し、大きな成果を挙げています。しかし、原子準位レーザーは絶対波長の決定や物質との強い共鳴などの光特性をもつため、依然として短波長領域での実現が強く期待されていました。

X線領域の原子準位レーザーを実現するためには、原子を取り巻く電子のうち、最も原子核に近い電子を効率的に取り除く必要があります。研究チームは、X線自由電子レーザー施設「SACLA」の「2段集光光学システム」を使って、この特異な状態をつくり出すことに成功しました。(図1参照)さらに、この媒質に、「SACLA」で作った別の弱いX線をほぼ同時に入射することにより、フーリエ限界と呼ばれる理想的な原子準位レーザーの発振に成功しました。この原子準位レーザーのもつ波長1.5オングストロームは、従来の1/10以下という極めて小さい値であり、世界で初めて硬X線領域の原子準位レーザーを実現しました。 この過程には、光で原子を制御することが可能な強い誘導放出という現象を使います。これにより、自然界が決める原子内のエネルギーの流れのルールすら変更可能であることを、X線の領域で初めて観測しました。

本研究では、小さな材料にX線自由電子レーザーを照射するだけで、さまざまな原子からさまざまな波長をもつきれいなX線レーザーを発振させる技術を実現しました。機能性の高いX線レーザーを使った応用研究が進展すると期待されます。

本研究の成果は英国のNature の2015年8月27日付オンライン版で発表されます。

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