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2023年のノーベル物理学賞は、電子の世界を研究するツールを開拓した3人の科学者に授与された

電子は、電気から磁気まで、私たちが毎日目にする多くの現象に関与している素粒子である。今年のノーベル物理学賞受賞者3名は、電子が関与するプロセスを調査するために、極めて短いパルス光を発生させる方法を実証した。

アメリカのオハイオ州立大学のPierre Agostini氏、ドイツのマックス・プランク量子光学研究所のFerenc Krausz氏、そしてスウェーデンのルンド大学のAnne L’Huillier氏が、賞金1100万スウェーデンクローナ(1億4900万円)を分け合う。

電子の変化は通常、10億分の1秒のさらに10億分の1秒(0.000000000000000001(1×10-18))秒という極めて短い「アト秒」で起こる。このような短い事象を研究するためには、特別な技術が必要だった。

受賞者たちは、アト秒単位で測定できるほど短い光のパルスを発生させる実験方法を開発した。これによって、物理物質中の電子の一瞬のダイナミクスを研究することが可能になった。

アト秒パルスは、これまでに生成された光の中で最も短い閃光であり、フォトニクス(光波の科学)に革命を起こした。アト秒パルスは、原子、キラル分子(互いに鏡像である分子)、極小ナノ粒子など、さまざまな物理系における電子のスナップショットを撮るために使われた。

受賞者たちは皆、このようなプロセスの研究を可能にすることに貢献した。このような高速パルスによって、科学者たちは初めて、観測の時間スケールを、電子ダイナミクスが起こる自然の超高速時間スケールと一致させることができた。

この達成には、レーザー科学と工学における大きな革新が必要であり、今年のノーベル賞受賞者たちは、その革新に何十年も取り組んだのである。

L’Huillier氏は、レーザー光とガス中の原子との相互作用の結果として生じる新しい効果を発見した。この相互作用を利用して、数百アト秒の紫外線パルスを発生させることができた。

Agostini氏とKrausz氏はこの発見をさらに発展させた。2001年、Agostini氏は短い光パルスを発生させ、その幅を測定することに成功した。RABBIT技術と呼ばれるものを使って生成された一連のバーストは、わずか250アト秒であった。

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Anne L´Huiller, Lund University. wikipedia, CC BY-SA
Ferenc Krausz
Ferenc Krausz. wikipedia, CC BY-SA

同じ頃、Krausz氏は別の実験アプローチを開発し、それを使って650アト秒続く光パルスの分離に成功した。

Agostini氏とKrausz氏によって開発された2つのアプローチは、今日行われている多くのアト秒研究の基礎となっている。

エキサイティングな応用

これらのアト秒パルスには、エキサイティングな応用の可能性がある。

さまざまな種類の物質において、これまで知られていなかった物理現象を研究するために利用できるかもしれない。

また、超高速スイッチングとして知られるスピンオフ分野では、非常に高速に動作するエレクトロニクスの開発につながる日が来るかもしれない。

アト秒パルス科学は、医療診断にも応用できる。血液サンプルに超高速パルス光を照射することで、科学者はそのサンプル中の分子の微小な変化を検出することができる。これは、癌を含む疾患の新しい診断方法につながる可能性がある。

キングス大学の我々のチームは、アト秒パルスが可能にする物理過程の解像度と、量子情報処理における新たな進歩を組み合わせることに取り組んできた。これにより、量子コンピューティングに応用可能なアト秒の時間スケールの量子光パルスを作り出すことができる。

この分野でのノーベル賞受賞は、新たな地平を切り開くための努力を倍加させるものです。私たちは、同僚たちのさらなる成功を祈るとともに、彼らが次に私たちを驚かせてくれるものを見たいと思っている。


本記事は、Amelle Zaïr氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Nobel prize in physics awarded for work unveiling the secrets of electrons」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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