[公開日] 2023 年 10 月 3 日午後 9 時 42 分 EDT
[著作者] Aaron W. Harrison
3人の研究者からなるグループが、アト秒 (attosecond) の長さのフラッシュで分子 (molecules) を照らすという、科学者の電子研究方法に革命をもたらした功績により、2023年のノーベル物理学賞を受賞しました。 しかし、アト秒はどのくらいの長さでしょうか? そして、この無限に短いパルスは研究者に物質の性質について何を伝えることができるのでしょうか?
私がこの研究分野を初めて知ったのは、物理化学の大学院生だったときでした。 私の博士課程顧問のグループは、アト秒パルスによる化学反応の研究に特化したプロジェクトを持っていました。 アト秒の研究がなぜ科学分野で最も名誉ある賞を受賞したのかを理解する前に、（そうした私の経験は）アト秒の光パルスとは何なのかを理解するのに役立ちます。
アト秒はどれくらいの長さでしょうか?
「アト: atto」は、10-18 を表す科学表記の接頭語で、小数点の後に 17 個のゼロと 1 が続きます。つまり、1 アト秒、つまり 0.000000000000000001 秒続く光のフラッシュは、非常に短い光のパルスです。
実際、1 秒間のアト秒の数は、宇宙の年齢の秒の数とほぼ同じです。
これまで科学者は、フェムト秒（10-15）光パルスfemtosecond (10-15) light pulsesを使って、より重くて動きの遅い原子核の動きを研究できました。 1000 アト秒は 1 フェムト秒に相当します。 しかし研究者らは、アト秒光パルスを生成できるまで電子スケールでの動きを見ることができませんでした。電子の動きが速すぎるため、科学者はフェムト秒レベルでは電子が何をしているのかを正確に解析できません。
アト秒パルス
原子や分子内の電子の再配置は物理学の多くのプロセスを導き、事実上化学のあらゆる部分の基礎となっています。 したがって、研究者たちは、電子がどのように移動し、再配置されるかを解明することに多大な努力を払ってきました。
しかし、電子は物理的および化学的プロセスにおいて非常に速く動き回るため、研究が困難になります。 これらのプロセスを調査するために、科学者は物質がどのように光を吸収または放出するかを調べる方法である分光法を使用します。 電子をリアルタイムで追跡するには、電子が再配列するのにかかる時間よりも短い光パルスが必要です。
例として、約 1 秒の長時間露光しか撮影できないカメラを想像してください。 カメラに向かって走ってくる人や空を飛ぶ鳥など、動いているものは撮影した写真ではぼやけて見え、何が起こっているのかを正確に把握することが困難になります。
次に、1 ミリ秒露出のカメラを使用していると想像してください。 これで、以前は不鮮明だったモーションがうまく分解され、鮮明で正確なスナップショットが得られます。 このようにして、フェムト秒スケールではなくアト秒スケールを使用すると、電子の挙動を解明できるのです。
アト秒の研究
それでは、アト秒パルスはどのような研究上の疑問の解決に役立つでしょうか?
まず、化学結合の切断は、2 つの原子間で共有されている電子が結合していない原子に分離するという自然界の基本的なプロセスです。 以前に共有されていた電子はこのプロセス中に超高速変化を受け、アト秒パルスにより研究者は化学結合の切断をリアルタイムで追跡することが可能になりました。
アト秒パルスを生成する能力（3人の研究者が2023年のノーベル物理学賞を受賞した研究）は、2000年代初頭に初めて可能となり、それ以来、この分野は急速に成長し続けています。 アト秒分光法は、原子や分子のより短いスナップショットを提供することにより、研究者が電子の電荷がどのように移動するか、原子間の化学結合がどのように切断されるかなど、単一分子内の電子の挙動を理解するのに役立ちました。
より大きな規模では、アト秒技術は、液体の水の中で電子がどのように振る舞うか、また固体半導体での電子移動の研究にも応用されています。 研究者がアト秒光パルスを生成する能力を向上させ続けるにつれて、物質を構成する基本的な粒子についての理解が深まるでしょう。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4ones(Koichi Ikenoue) の翻訳責任で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.
