フェムト秒は何秒ですか？科学：「空飛ぶナイフ」は高速、正確、そして冷酷で、保存寿命は数百万年です！

レーザーは「最も速いナイフ」、「最も正確な定規」、「最も明るい光」と呼ばれています。 1960 年代初頭に最初のレーザーが発明されて以来、レーザーは私たちの生活のあらゆる面で広く使用されてきました。

1980 年代に、科学者たちはフェムト秒レーザーという特異なレーザーを発明しました。これは、フェムト秒の時間内に放射されるパルスレーザーであり、フェムト秒以内にエネルギーが瞬時に放出されることを意味します。超高速、超強力、超広帯域という特徴を持っています。現在、多くの眼科の近視矯正手術ではフェムト秒レーザーが使用されています。しかし、フェムト秒レーザーと物質の相互作用のメカニズムは複雑であり、多くの疑問が残っています。研究者でさえその「気性」を解明することはできない。

1月21日、サイエンス誌は浙江大学光電子科学工学部の邱建栄教授のチームの最新の研究結果を掲載した。研究チームは、フェムト秒レーザーによって誘発される空間選択的なマイクロナノ相分離とイオン交換の法則を発見し、新しいフェムト秒レーザー3次元極限製造技術を開拓し、無色透明のガラス材料内で制御可能なバンドギャップを持つ3次元半導体ナノ結晶構造を初めて実現しました。これにより、次世代のディスプレイおよびストレージ技術に新たな方向性がもたらされます。

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フェムト秒レーザーの何がすごいのでしょうか?

フェムト秒は時間の長さの測定単位で、フェムト秒とも呼ばれます。 1 フェムト秒は 1 兆分の 1 秒です。フェムト秒レーザーは、その名前が示すように、フェムト秒の時間内に放射されるパルスレーザーであり、フェムト秒以内にエネルギーが放出されることを意味します。

フェムト秒レーザーの驚くべき点は、まず瞬間ピーク出力が非常に高く、世界で生成される総電力の 100 倍にも達することです。

第二に、電磁場は髪の毛の直径よりも小さい空間領域に集中できるため、電磁場の強度は原子核が周囲の電子に及ぼす力よりも高くなります。フェムト秒レーザーを透明材料に集中させると、複数の高度な非線形効果に基づく一連の物理的および化学的運動プロセスが発生します。

フェムト秒レーザーは、その超高速・超強力という特性を活かし、情報、環境、エネルギー、医療などさまざまな分野で幅広く活用されています。「なぜフェムト秒レーザーが眼科手術に使えるのか？眼には神経や血管が豊富にあるため、手術は安定して正確かつ容赦なく行う必要がある。この『レーザーメス』はクリーンかつ効率的で、焦点領域のみに作用し、周囲の環境に影響を与えない」と邱建栄氏は語った。

安定していて正確で強力なフェムト秒レーザーは、決して標的を外さない古龍の小説に出てくる李暁の空飛ぶ短剣に似ているでしょうか?

「フライングナイフ」の秘密を解き明かす

フェムト秒レーザーを透明材料に集中させると、複数の高度な非線形効果に基づく一連の物理的および化学的運動プロセスが発生します。フェムト秒レーザーにはさまざまな用途がありますが、研究者たちはそのメカニズムについてまだほとんど知りません。

この結果を達成するための最初のステップは、均一で透明なガラスを準備することでした。

「ガラスの中に気泡や石、縞模様などがあると屈折率分布に影響を及ぼし、最終的には多光子効果に基づいて光とガラスの相互作用に劇的な変化をもたらします。」研究チームは長年の研究で蓄積した豊富な経験を活用し、多数の実験に基づいてレーザー加工に適した均一な前駆体ガラスの焼成に成功しました。

次のステップは、フェムト秒レーザーをガラスの内側に集中させることです。

しかし、最初の実験では、チームは何のパターンも見つけられなかったため、邱建栄氏のチームは、彼らが常に主張してきた「絨毯爆撃」テストモードを実行し、調整と実験を繰り返しました。慎重な設計と一連の最適化を経て、チームはついに理想的な超高速レーザー彫刻プロセスを実現し、ガラス内部の組成を調整可能なペロブスカイトナノ結晶を実現することに成功しました (図 1)。これにより、「瞬間」の時間スケールで構造と性能を自由に操作できるようになります。

超高速レーザー直接書き込みガラス中の調整可能な組成を持つCsPb(Br1-xIx)3ペロブスカイトナノ結晶の発光スペクトル、および対応する光学画像と蛍光画像、スケールバーは10μm

画像出典：浙江大学WeChat公式アカウント

次のステップは、レーザーが多数のピクセルで構成された 3 次元パターンを瞬時に彫り出せるようにする方法をさらに進めることです。透過型走査電子顕微鏡を使用して髪の毛よりもはるかに細い傷を観察するにはどうすればよいでしょうか?チームは、しっかりとした研究を通じて困難を一つずつ克服しました。

光学ストレージは、次世代のストレージおよびディスプレイ材料になる可能性がある

「科学研究には近道はないと私は常に信じてきた。我々は誠実に、一歩一歩仕事を遂行する必要がある」と邱建栄氏は語った。

この研究は、多数の実験に基づいており、ガラス内部の組成を調整可能なペロブスカイトナノ結晶を実現し、「フラッシュ」タイムスケールで構造と性能を自由に制御できるようになりました。

フェムト秒レーザーによる 3 次元直接書き込みによるガラス内のペロブスカイトナノ結晶のカラフルな発光パターンとホログラフィックディスプレイ。

画像出典：浙江大学WeChat公式アカウント

この技術の特性をさらに実証するために、研究者らは、ミクロンレベルの精度で多次元情報のエンコードと偽造防止を実現するペロブスカイトナノ結晶のカラーパターン化、およびCl-Br-I共添加ガラス内部へのフルカラー発光パターンと3Dマイクロスパイラル直接書き込みと3次元ホログラフィックディスプレイを実現しました。

超高速レーザー誘起液相ナノ分離はガラス内部の局所的な場所でのみ発生するため、3D レーザー直接描画技術により、材料合成およびデバイス処理中に有機成分 (試薬および溶媒) による汚染が排除されます。

さらに、安定性実験により、このようなデバイスはさまざまな環境で長期間使用できることが示されています。

この研究の応用方向の 1 つは、3 次元、4 次元、さらにはそれ以上の次元での光学ストレージです。「既存のストレージデバイスのほとんどは磁気ストレージですが、これにはいくつかの欠点があります。まず、耐用年数は 3 ～ 5 年しかありません。次に、エネルギー消費が比較的大きく、放熱要件も高くなります。」

論文の責任著者の一人である志江研究所の譚徳志博士は、光ストレージは消費電力が低いだけでなく、ディスク1枚あたり1PBに達する容量が期待されており、有望な開発方向であり、予想されるストレージ寿命は数百万年に達するだろうと述べた。