速いだけの格闘技の世界。
場合によっては、「心拍の時間」と表現される非常に短い時間を設定することがあります。心拍の持続時間は 10 の 18 乗秒です。
米国とドイツの科学者チームは、ストップモーション写真に似た最近の実験で、液体の水の中を移動する電子の「フリーズフレーム」を初めてリアルタイムで撮影し、その結果がサイエンス誌に発表された。
2023年10月3日、スウェーデンのストックホルムで行われた2023年ノーベル物理学賞の発表で、2023年ノーベル物理学賞受賞者の研究結果を説明する審査員の専門家
専門家らによると、この結果は実験物理学の大きな進歩を示し、これまでX線では達成できなかった時間スケールで液体中の分子の電子構造を解明する窓を提供したという。 これまで、科学者は電子の動きをピコ秒 (1 秒=1 兆ピコ秒) の時間スケールでしか解明できませんでした。 現在では、ターゲットに当たる X 線の電子反応をアト秒スケールで研究できるため、研究者は放射線によって引き起こされる化学反応を以前の方法よりも 100 万倍速く調査できるようになりました。
すべての兆候は、アト秒レーザーがエレクトロニクスの神秘的な世界を解く鍵である可能性があることを示しています。
「アト秒」とは何ですか?
一般の人にとって、アト秒は非常に奇妙な概念です。
実際、早くも戦国時代、中国の有名な思想家、鹿王は「上下四面はユ、古代と現代はゼウス」という単純な時空観を提唱しました。 今日に至るまで、物理学研究の最前線では、空間と時間は依然として最も重要かつ基本的な 2 次元です。
人間の感覚では、物体が急速に動いているときは、像がぼやけたり重なったりして、ごく短時間の変化は観察できません。 したがって、科学者にとって、これらの非常に短い瞬間を捕捉または描写するためのより正確な「時間窓」を開発することが重要です。
19 世紀、物理学でよく話題になり、議論された問題がありました。「馬が走るとき、4 本の足はすべて同時に地面から離れますか?」
アメリカの起業家リーランド・スタンフォードはこの質問に非常に興味を持っていました。 この推測を検証するために、彼は有名な写真家のエドヴァルド・マイブリッジに相談しました。 当時はまだビデオ機能が誕生しておらず、カメラのシャッターの応答時間は15秒、場合によっては1分かかることもありました。
馬はカメラのシャッターを切るために速度を緩めようとはせず、蹄のカタカタ音がこの仮説を検証する最大の障害でした。 エドヴァルド・メイブリッジはそう簡単には諦めず、カメラのシャッターの設計を改良するだけでなく、滑走路に 12 台のカメラと機構を設置するという素晴らしいアイデアを思いつきました。 馬がカメラに近づくと機構が作動し、写真が撮影されます。 最終的に、彼は 12 枚の写真をまとめました。これが、馬が走っているすべてのプロセスです。
つなぎ合わせた写真を見て、人々はすぐに質問の答えを見つけました。馬が走るとき、確かにその瞬間を捉えることができます。馬の 4 本の足が同時に地面から離れるのです。
2023年10月3日、スウェーデン王立科学アカデミーは、その年のノーベル物理学賞をピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウス、アンヌ・ルイリエの「力学研究のためのアト秒光パルス生成実験方法」に対して授与したと発表した。物質の中の電子。」
「私たちは今、電子の世界への扉を開くことができます。アト秒物理学は私たちに電子制御のメカニズムを理解する機会を与えてくれました。次のステップはそれを活用することです。」 ノーベル物理学委員会委員長のエバ・オルソン氏はそう語る。
科学者たちが電子の世界に視点を移したとき、位置とエネルギーの変化率は 1 アト秒から数百アト秒の間で変化することを発見しました。1 アト秒は 10 億分の 1 秒です。 アト秒パルス光の技術は、現在人類が利用できる最速の時間スケールであり、定規のようなもので、目盛りが細かいほど測定できる精度が高くなります。
中国科学技術大学人文社会科学院科学技術コミュニケーション学科の副主任である袁蘭峰氏は、アト秒光パルスは高速度カメラの原理として理解でき、人の動きのプロセスの素晴らしい瞬間を捉えるには、反応速度の速いカメラが必要です。 アト秒光パルスは、顕微鏡反応研究における「高速カメラ」です。
かつて、レーザーパルスの制限時間は「フェムト秒」で、人間が原子を見るには十分でしたが、電子の場合、「フェムト秒」の時間分解能は非常に粗く、このスケールによると、モザイクのような効果。 コヒーレント光パルスはフェムト秒から進行
コヒーレント光パルスのフェムト秒からアト秒への進歩は、単なる時間スケールの進歩ではなく、より重要なことに、原子や分子の運動から原子の内部に至る物質の構造を研究する人々の能力を進歩させます。電子の運動と相関挙動を調査し、基礎物理学の研究に大きな革命をもたらすでしょう。
アト秒は一般人に何をもたらすのでしょうか？
1999 年のある日、カリフォルニア工科大学の教授であるアーメド ザビエルは、その発見によりノーベル化学賞を受賞しました。 1980 年代のザビエルの研究では、レーザー ビームを使用して遷移状態の原子の振動を撮影し、科学者が化学反応の過程にある原子や分子を「スローモーション」で観察し、その性質と構造を研究するのに役立ちました。遷移状態。 このため、ザビエルは「フェムト秒化学の父」としても知られています。
それ以来、科学者たちはレーザーが稲妻のようにその一瞬を捉えることができることに気づくようになりました。 この発見は、一連の破壊的な研究の理論的基礎を提供しました。
現在、このレーザーの速度は千倍に向上し、フェムト秒からアト秒への劇的な変化を実現することに成功しました。
現在、フェムト秒レーザーというと、フェムト秒レーザー近視手術に代表される多くの応用例を思い浮かべることが多いでしょう。 そして、アト秒レーザーに関しては、この用語を一般の人々の生産的な生活と結びつけるのは難しいように思えます。
袁蘭峰氏は率直に、「a秒レーザーは現時点ではあまり役に立たず、応用が始まったばかりで、まだ基礎研究にとどまっている」と語った。 ただし、これはアト秒光パルスに応用の可能性がないという意味ではなく、「扉は開きますが、この扉の向こうにあるものはまだ深く探究する必要がある」と述べています。 彼は言った。
それで、そのドアの向こうには何があるのでしょうか？
パルスフィールド・アブレーション・システムは、2023 年 11 月 5 日に第 6 回見本市の医療機器およびヘルスケア部門のメドトロニック ブースで撮影されました。
「電子の動きは、光の生成、生体分子の構造と生体システムにおける機能を変える化学結合の形成と切断、そして可能な限り高速に情報を処理する役割を担っています。……今日、私たちは電子、原子、分子が関与する微視的なプロセスをより深く理解し、それらが巨視的な世界にどのような影響を与えるかを調べるためのアト秒光パルス。」 以前、ウルフ物理学賞を受賞した後、フェレンツ・クラウスはアト秒物理学の応用の価値をこのように述べました。
一方、エヴァ・オルソン氏は、アト秒物理学は電子制御のメカニズムを理解する機会を与え、電子情報産業や医療への潜在的な応用への道を開くと述べた。
中国科学院物理研究所の研究員である魏知儀氏は、この技術を超電導、ナノマテリアル、太陽光発電産業、医薬品、レーザー医学などの分野と組み合わせることで、構造のより深い理解を促進できると考えている。人類による物質の破壊は、関連する革命的な進歩につながるでしょう。
確かに、アト秒物理学の現在の応用は一部の人々の想像からは程遠いものですが、非常に幅広い応用シナリオがあります。
それは人類にミクロの世界を研究するための「知的な目」を提供します。
アト秒レーザーのサポートにより、多くの微細なプロセスを確認するために「状況証拠」を必要とせず、直接観察できるようになります。アト秒レーザーを使用して、化学反応、分子スケールなどのさまざまな高速運動プロセスを撮影できます。運動と原子スケールの運動。
アト秒レーザーで化学反応を撮影することは、科学者が反応メカニズムをより深く理解し、化学プロセスをさらに改善するのに役立ちます。 アト秒レーザーで分子や原子の動きを撮影すると、それらの相互作用や運動プロセスを明らかにすることができ、これらは材料科学や生物科学の研究にとって重要です。
たとえば、生物医学の分野では、アト秒パルスの高解像度イメージング技術は、病気の早期診断と治療を強化し、がん、神経疾患、その他の主要な医療課題の研究に新たなブレークスルーをもたらすことが期待されています。
フェレンツ・クラウスのチームは、フェムト秒とアト秒の技術を使用して血液サンプルを分析し、その小さな変化を検出しようとしていると理解されています。 彼らは、これらの変化が疾患の初期段階で明確に診断できるほど特異的であるかどうかを分析しており、この技術はがんやその他の困難な疾患の研究に重大な影響を与える可能性がある。
「アト秒時代」の加速？
2021年、サイエンス誌は「世界最先端の科学問題125」を発表したが、そのうち10以上は超高速科学によって解決する必要がある。 アト秒パルスの出現は、科学および応用研究のいくつかの分野において、より独創的な革新をもたらすことが期待されています。
アト秒レーザーは自然からの贈り物ではなく、人為的な奇跡です。
フランスの物理学者アンヌ・ルイリエは、アト秒の世界をこじ開けるツールを最初に発見しました。 1987年、彼女はガスのイオン化実験を行っていた。1064ナノメートルの波長のレーザー光をアルゴンやその他の希ガスに照射したところ、ガスは以前の実験とは異なる色に見えた。
その後、彼女は重要な論文を発表し、希ガスの強力なレーザー照射によって生成される高調波の現象を発見し、アト秒オーダーのパルスをサポートできるスペクトル幅を持つ高調波の典型的なスペクトル構造を取得しました。レーザーパルスがアト秒に達するための前提条件。 それ以来、彼女の研究キャリアとアト秒レーザーは密接に結びついており、16 年後、彼女は研究チームを率いて 170 アト秒レーザーの最短パルスの世界記録を樹立しました。
彼女とともにノーベル物理学賞を受賞した他の 2 人の科学者も、「アト秒の建物」に手を加えました。ハンガリーのフェレンツ・クラウスは、2001 年に研究者チームを率いて最初のアト秒光パルスを作成および測定し、それを使用してアト秒光パルスを捕捉しました。原子内の電子の動き、アト秒物理学の誕生を告げる。 さらに、彼のチームは650アト秒持続するパルスを分離することに成功し、科学者が原子からの電子の分離を追跡することに初めて成功した。 強磁場レーザーと原子の相互作用のリーダーであるフランス人のピエール・アゴスティーニと彼のチームは、初めてアト秒光パルスを生成して測定し、それを使用して原子内の電子の動きを捕捉することにより、アト秒物理学の先駆者となった。
今日、世界の多くの地域で、より多くの科学者がこの分野でトップの座を争っています。
研究室では、有益な成果が頻繁に生まれています。2022 年には、ミシガン大学とドイツのレーゲンスブルク大学の研究者が協力して、これまでで最速となる数百アト秒以内に電子の動きを捕捉しました。
同年、日本の理化学研究所先端フォトニクス研究センターと東京大学の研究者チームが協力して、アト秒パルスから生じる光干渉から生じる縞を処理するための新しいタイプの干渉計を開発した。そして物質中の電子状態への量子干渉。 彼らは、ヘリウム原子のサンプルを使用した実験を通じて、高調波パルスの生成後の分割による干渉計方式の実現可能性を実証しました。
さらに、アト秒レーザー施設の国際的な建設と競争が始まっています。 ノーベル賞受賞物理学者ジェラール・ムルー氏らの提唱により、欧州連合はハンガリーで欧州極限光施設・アルト秒光源（ELI-ALPS）の建設を主導し、以下のような国際的に有名な企業の建設を推進してきた。 Fastlite、アクティブファイバー、光変換など。 Fastlite、Active Fiber、Light Conversion、その他の国際的に有名な製品の反復とアップグレードなどのレーザー技術企業、これらの新世代レーザー技術は、高度な製造、国防科学技術、その他の分野で重要な役割を果たすでしょう。
中国では、中国科学院物理研究所や広東省東莞市の松山湖材料研究所など、関連する科学研究部門が大規模なアト秒光源のインフラ建設を行っている。アト秒科学センター。 このセンターの完成後は、国際的に先導的な総合指標の達成が期待されると理解されています。
