広報活動

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2012年9月20日

独立行政法人理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター

XFELの時間幅“1000兆分の1秒”の評価手法を開発

―X線自由電子レーザー(XFEL)を用いた超高速現象研究へ貢献―

さまざまなパルス幅でSACLAが発振したXFELの時間波形の様子

「X線自由電子レーザー」…。さて、何に使うものなのでしょうか。“自由”ってどこか楽しそうな気もしますが。いやいや、緻密でまじめな仕事をする装置(施設)なのです。

自然現象や生命現象の根源を探るには、原子や分子の並び方、そしてそれらの瞬間的な動きまで直接観察する必要があります。こうして得られる情報は、難病の原因解明や薬の創出、新素材の開発などにつながります。

病院での診察でおなじみのX線は可視光に比べ波長が短く、物質の構造を原子や分子のレベルで観察するのに利用されています。理研の大型放射光施設SPring-8も世界最強クラスのX線光源ですが、それでも原子や分子の瞬間的な動きを観察するには強度が足りません。そこで、より強い光を出すことができるX線のレーザーを作ることになりました。これに用いたのが、電子を磁石の力でうねうねと走らせて放たれる光を利用する方式です。原子からはぎ取られた自由な電子を用いてX線レーザーを作ることから、X線自由電子レーザー(XFEL)と呼ばれます。理研はその施設をSACLAと名付けて2012年3月から供用運転を開始しています。

XFELで重要視されるのがパルス幅(X線の発光時間)の短さ。短ければ短いほど、速く動くものを鮮明に捉えることができ、超高速現象を精緻に観察できます。ただ、 SACLAが発振するXFELのパルス幅は、数フェムト秒(1フェムト秒は1000兆分の1秒)から数十フェムト秒と推測されていたものの、実測できていませんでした。研究チームはSACLAの“実力”を証明するため、高い分解能をもち、1つひとつのパルスごとに計測が可能な計測器(スペクトロメーター)を開発、独自のシミュレーションソフトと組み合わせてパルス幅を評価しました。その結果、4.5~31フェムト秒の範囲でパルス幅が制御されていることが分りました。この手法はさらに短時間であるアト秒(1アト秒は100京分の1秒)領域のパルス幅計測にも応用可能であり、さらに短パルスのXFELを利用したサイエンスにも有用なツールとなります。