速く、正確で、明確です!この「ビデオレコーダー」は原子分子を​​記録できます！

著者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

光はおそらく、人間にとって最も馴染みのある物質の一つでしょう。光のおかげで、宇宙のいたるところにエネルギーが存在し、世界は鮮やかで色鮮やかに見え、すべてのものはさまざまな大きさ、形、色で現れます。最近では、マクロ的なものを記録するためにカメラを使って写真やビデオを撮ることに慣れています。科学者たちはまた、自由電子レーザー装置と呼ばれる、微視的世界の超高速かつ超強力な記録装置も持っています。

では、自由電子レーザーとは何でしょうか?通常のレーザーとどう違うのですか？なぜ微小な分子や原子を記録できるのでしょうか?

こんにちは、みんな！私は中国科学院物理研究所の研究員、羅慧謙です。今日は、放射光以外の「第4世代光源」である自由電子レーザー装置についてお話します。

光は人間が世界に関する情報を捉えるための最も重要なツールです。可視光線を利用した顕微鏡や望遠鏡により、人間は小さな微生物や遠くの星を見ることができます。しかし、物質内部の原子の構成や配置などの微視的情報についてさらに詳しく知るには、より短い波長のX線に頼らなければなりません。 1947 年以来、科学者は 4 世代のシンクロトロン放射源を開発し、光の明るさを継続的に向上させ、特に X 線の「写真」解像度は前例のない精度に達しました。しかし、シンクロトロン放射源からのX線はコヒーレント光源ではないため、原子や分子の「ビデオ撮影」に使用する場合、その性能は劣ります。

科学者たちは、最もコヒーレンスの高い光源としてレーザーを思いつきました。従来のレーザーは、粒子数が反転した後に原子、分子、または固体エネルギーレベル内の電子によって生成される量子刺激放射から発生し、これは束縛電子レーザーですが、このモードでは極めて短波長のX線を生成することはできません。 X 線をコヒーレントなレーザービームに変換するには、高速で移動する自由電子が必要です。

自由電子レーザーの基本原理

線形加速器は電子ビームを光速に近い速度まで加速するために使用されます。次に、周期的に変化する横方向の磁場（アンジュレータとも呼ばれる）内に配置され、振動して自発的に連続的に放射します。自発放射光を電子ビーム自体と繰り返し結合させ、特定のエネルギーの光を選択して飽和出力に達するまで連続的に増幅します。これはコヒーレント自由電子レーザーのビームです。自由電子レーザーのコヒーレンスは、高次高調波発生を種光として導入することでさらに向上させることができます。

高調波ビーム

1977年4月、米国スタンフォード大学の研究者らが世界初の自由電子レーザー発振器を開発し、加速器をベースとした遠赤外線自由電子レーザーを実現した。 21 世紀の初め、ドイツのハンブルクにある DESY センターの科学者たちは、自然光の 1,000 万倍の明るさに相当する X 線自由電子レーザー装置を開発しました。現在、ドイツ電子シンクロトロン研究所の軟X線自由電子レーザー施設（FLASH）、米国国立加速器研究所の線形加速器コヒーレント光源（LCLS）、欧州X線自由電子レーザー施設（European-XFEL）、韓国の浦項自由電子レーザー施設（PAL-XFEL）、スイス自由電子レーザー施設（SwissFEL）など、世界には多くの自由電子レーザー施設が建設されています。

オランダの自由電子レーザーFELIX

わが国は早くも 1994 年に中赤外線帯域の北京自由電子レーザー施設 (BFEL) を建設しました。 2016年に建設された極端紫外線帯の大連コヒーレント光源（DCLS）は、世界で最も明るい極端紫外線光源です。 2017年には成都に高平均出力テラヘルツ自由電子レーザー施設（CTFEL）が建設され、同年には上海軟X線自由電子レーザー実験施設が正式に発光し、さらにユーザーデバイス（SXFEL）にアップグレードされる予定である。 2018年に上海硬X線自由電子レーザー施設（SHINE）の建設が開始され、2024年9月にユーザー装置が設置される予定です。

上海張江市における硬X線自由電子レーザー施設の分布の概略図

上海張江科学城にある硬X線自由電子レーザー施設は、全長3.11キロメートルで、8GeVの超伝導線形加速器、3本のアンジュレータライン、3本の光学ビームライン、100PWの超高強度超短レーザーシステム、および最初の10の実験ステーションを備えています。ナノメートルレベルの超高空間分解能とフェムト秒レベルの超高速時間分解能の両方を備えています。

自由電子レーザーは、通常のレーザーのコヒーレンスと、同期光源の高エネルギー、高輝度、高解像度の利点を兼ね備えています。これはミクロの世界における超強力、超高速、超高エネルギーの「懐中電灯レコーダー」ともいえるもので、エネルギー、生命、材料、物理学、化学など多くの分野で最先端の応用が期待されています。化学結合の切断過程における原子の運動、極限条件下での原子や分子の奇妙な物理的状態、複雑な分子の電荷輸送過程、相変化過程における電子や原子の超高速ダイナミクスなどを捉えることができます。小さなタンパク質結晶やナノ構造材料の場合、超短・超高強度フェムト秒X線パルスにより、サンプルを損傷する前に結晶の3D構造や電子状態情報まで取得できます。撮影されたビデオは「高速、正確、鮮明」と表現できます。

自由電子レーザー技術は、まだ活発な開発段階にあります。将来的には、基礎科学研究の発展と最先端技術の発明を大きく促進し、物質世界に対する人類の理解を新たな段階に導くでしょう。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: 羅慧謙

査読者: 中国科学院半導体研究所研究員 ジ・ヤン

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司