広報活動

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2014年2月17日

独立行政法人理化学研究所
学共同利用機関法人自然科学研究機構分子科学研究所
国立大学法人大阪大学
国立大学法人東京大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター

X線の2光子吸収の観測に成功

-数百ゼプト秒の間にほぼ同時に原子を2度打ち-

逐次的な2光子吸収と本実験の2光子吸収の図

逐次的な2光子吸収と本実験の2光子吸収

「非線形光学」という分野があります。非常に強い光と物質との間に起きる、光の強さに比例しない(非線形の)物質の多様な応答現象を扱う学問で、光通信をはじめとする産業用途にも広く利用されています。特に、応答が光の強さの2乗(3乗)で強くなる場合、2次(3次)の「非線形光学過程」と呼びます。次数が増えると応用範囲が広がり、例えば可視光領域の3次の非線形光学過程では、本研究の「2光子吸収」、照射された光が物質内の励起エネルギーの分だけ波長が長くなって散乱されるラマン効果を利用した「非線形ラマン散乱」、光で物質の屈折率が変化する「光カー効果」などが、イメージング、分光学、光制御に広く利用されています。

私たちが目にする色は、光が物質によって吸収されることで生じますが、この過程では、原子1つに対して光子1つが吸収され、可視光領域だけでなくX線領域でも同様に起きます。しかし、X線を非常に強くして、短時間に2つのX線光子を同じ原子に同時に当てれば「2光子吸収」も可能性があるとされています。ただし、X線では2つの光子は数百ゼプト秒(1ゼプト秒は10-21秒)という超短時間内に当たる必要があり、実現は極めて困難だと考えられていました。

理研の研究者らを中心とした共同研究グループは、X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」を使い、難しいとされる2光子吸収の観測に挑みました。実験では、X線ビームを約100ナノメートル(1ナノメートルは10億分の1メートル)まで絞り込んだ超高強度X線を、ゲルマニウム試料に照射しました。試料から放射される蛍光X線を測定したところ、蛍光X線の光子数は照射したX線の強度の2乗に従って増加しました。これは、2光子吸収の特徴であり、X線領域において2光子吸収が起きていることが示されました。この2光子吸収は3次の非線形光学過程であり、同グループが2013年に報告した1光子の吸収が続けて2回起きる“逐次的な2光子吸収”とは異なります(図)。また、2光子吸収と並行して、超高強度X線による試料の破壊がフェムト秒(1フェムト秒=10-15秒=100万ゼプト秒)の速さで進むことも分かり、この過程をコンピューター上でシミュレーションし測定結果と合わせることで、壊れる前の物質が本来持っていた情報を抽出することに成功しました。

今回のX線の2光子吸収の観測成功により、他の3次の非線形光学過程もX線領域で観測可能となり、XFELと組み合わせた新しい応用が期待できます。また、強いX線で試料が破壊された場合でも本来持っていた性質を明らかにできることは、今後XFELでの超高強度X線による利用研究、例えば微小なタンパク質結晶の構造解析などで、大いに役立つと考えられます。

理化学研究所
放射光科学総合研究センター XFEL研究開発部門 ビームライン研究開発グループ 理論支援チーム
専任研究員 玉作 賢治 (たまさく けんじ)