アト秒とは何か?ノーベル賞受賞研究の背景にある極小の時間スケールについて物理化学者が解説

The Conversation
投稿日
2023年10月4日 16:07
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アト秒の閃光を分子に照射することで、電子の研究方法に革命をもたらした研究により、3人の研究者グループが2023年のノーベル物理学賞を受賞した。しかし、アト秒とはどのくらいの長さなのだろうか?そして、この限りなく短いパルスは、物質の性質について研究者に何を教えてくれるのだろうか?

私が初めてこの研究分野を知ったのは、物理化学専攻の大学院生だった。私の博士課程の指導教官のグループは、アト秒パルスを使った化学反応を研究するプロジェクトを持っていた。なぜアト秒研究が科学界で最も名誉ある賞を受賞したのかを理解する前に、アト秒パルス光とは何かを理解する必要がある。

アト秒の長さは?

「アト」は10-18を表す科学表記法の接頭辞で、小数点以下17桁の0と1が続く。つまり、アト秒、つまり0.000000000000000001秒の閃光は、極めて短い光のパルスということになる。

実際、1秒間のアト秒の数は、宇宙の年齢の秒数とほぼ同じである。

以前は、科学者はフェムト秒(10-15)の光パルスを使って、より重く動きの遅い原子核の運動を研究することができた。1000アト秒は1フェムト秒に相当する。しかし、研究者たちはアト秒光パルスを発生させるまでは、電子スケールの動きを見ることができなかった。電子の動きが速すぎて、科学者たちはフェムト秒レベルで電子が何をしているのかを正確に解析することができなかったのだ。

アト秒パルス

原子や分子における電子の再配列は、物理学における多くのプロセスを導き、化学の実質的にあらゆる部分を支えている。そのため、研究者たちは、電子がどのように移動し、再配列しているかを解明することに力を注いできた。

しかし、電子は物理的・化学的プロセスにおいて非常に速く動き回るため、その研究は困難である。このような過程を調べるために、科学者たちは分光法という、物質がどのように光を吸収したり放出したりするかを調べる方法を用いている。電子をリアルタイムで追跡するためには、電子が再配列する時間よりも短い光のパルスが必要である。

例えて言うなら、1秒程度の長時間露光しかできないカメラを想像してみてほしい。カメラに向かって走ってくる人や空を飛んでいる鳥のように、動いているものは撮影された写真ではぼやけて写り、何が起こっているのかを正確に確認することは難しいだろう。

では、1ミリ秒露出のカメラを使うとしよう。すると、それまで不鮮明だった動きがきれいに解像され、鮮明で正確なスナップショットになる。このように、フェムト秒スケールではなくアト秒スケールを使うことで、電子の挙動を明らかにすることができるのだ。

アト秒研究

では、アト秒パルスはどのような研究課題に答えるのに役立つのだろうか?

ひとつは、化学結合の切断は、2つの原子間で共有されていた電子が結合していない原子に分離する自然界の基本的なプロセスである。それまで共有されていた電子は、この過程で超高速の変化を受ける。アト秒パルスによって、研究者は化学結合の切断をリアルタイムで追跡できるようになった。

アト秒パルスを発生させる能力は、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であり、2000年代初頭に初めて可能になった。原子や分子の短いスナップショットを得ることで、アト秒分光法は、電子の電荷がどのように移動し、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っている。

より大きなスケールでは、アト秒技術は、液体水中での電子の振る舞いや固体半導体中の電子移動の研究にも応用されている。研究者たちがアト秒光パルスの生成能力を向上させ続ければ、物質を構成する基本粒子についての理解が深まるだろう。


本記事は、Aaron W. Harrison氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「What is an attosecond? A physical chemist explains the tiny time scale behind Nobel Prize-winning research」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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