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まるでストップモーション動画のように、研究者らは、液体の水の中でリアルタイムで動く電子の原子を“凍結”させる、原子フリーズフレームの実現に世界で初めて成功した。

この研究結果は、これまでX線では得られなかった時間スケールで、液相中の分子の電子構造を解明する新たな方法を提供する画期的なものであり、実験物理学における重要な進歩だ。このことは更に、放射線被曝が物体や人に及ぼす影響を理解する上で重要なステップとなる。

フリーズ・フレームとは、映画『マトリックス』のストップモーションで有名な手法で、動画の1フレームを停止させ、まるで時間が止まったように表現する方法だ。

原子フリーズ・フレームとは、簡単に言えば、原子のエネルギッシュな動きを捉えながら、液体の水の中で原子の周りを回る電子の軌道運動を凍結させるという研究である。この革新的な技術は、前述のストップモーションに似ており、X線自由電子レーザーからの同期したアト秒X線パルスペアを使用することで可能となった。

IDREAM attosecond water

金色で描かれた“凍結した”原子は、動いている電子と対照的で、液体の水の中でのエネルギッシュなダンスを視覚的に表現している。

この研究の上級著者であり、アルゴンヌ国立研究所の特別研究員であるLinda Young氏は、X線が当たったターゲットの電子反応をアト秒のタイムスケールで研究することの重要性を強調している。この機能によって、研究者は放射線によって誘発される化学反応を掘り下げることができ、これまでの方法よりも100万倍速く洞察を得ることができる。

「我々が研究したい放射線によって引き起こされる化学反応は、アト秒の時間スケールで起こるターゲットの電子反応の結果なのです。これまで放射線化学者は、アト秒の100万倍遅いピコ秒の時間スケールでしか事象を解明できませんでした。それは例えるならば、これまで放射線化学者は、アト秒の100万倍遅いピコ秒の時間スケールでしか事象を解明できませんでした。それ例えるならば、『私は生まれてから死んだ』と言っているようなものです。その間に何が起こっているのか知りたいでしょう。それが今、私たちができることなのです」とLinda Young氏は言う。

Image for Attosecond x ray pulses
アト秒X線パルスが、最も軽い水素原子の動きも含めて、液体の水中のすべての原子核の動きを凍結させる様子を描いたもの。これにより研究者は、基底電子状態にある周囲の水を示す構造特性を分離することができる。(Credit: Stacy Huang.)

この実験は、エネルギー省のさまざまな国立研究所や米国とドイツの大学の科学者が参加した共同作業である。彼らの目的は、電離放射線に長期間さらされた場合の影響、特に核廃棄物に含まれる化学物質への影響を理解することであった。

素粒子の動きは非常に速いため、その動きをとらえるには、アト秒単位で時間を測定できるプローブが必要だ。アト秒という時間枠は非常に小さく、宇宙の歴史と秒数の比率よりも、1秒間に対する1アト秒の方が圧倒的に小さい。

これを実現するために、研究者たちはカリフォルニアのLinac Coherent Light Source(LCLS)で、2023年のノーベル物理学賞に認定されたアト秒X線パルスを利用した。このパルスは、世界でも数少ない専門施設でしか利用できないものであり、LCLSでの研究成果は、アト秒科学に新たな道を開くものである。

Young氏は、「原理的には、電子の動きを追跡し、新しくイオン化された分子が形成されるのをリアルタイムで見ることができるツールができたのです」と語った。

この研究では、テストケースとして液体の水に焦点を当て、その結果は、以前の実験で観測されたX線シグナルに関する長年の科学的議論を覆すものであった。Young氏は次のように説明する。「基本的に、以前の実験で人々が見ていたのは、水素原子が動くことによって生じるぼやけでした。私たちは、原子が動く前にすべての記録を行うことで、その動きを排除することができたのです」。

今回の発見は、放射線誘起化学の理解を深めるだけでなく、アト秒科学の新時代の幕開けを告げるものでもある。研究チームは、宇宙旅行、癌治療、原子炉、レガシー廃棄物への影響を考慮し、放射線誘発プロセスによって生成される反応性種の起源と進化のさらなる探求を構想している。


論文

参考文献

研究の要旨

アト秒ポンプ/アト秒プローブ実験は、電子のダイナミクスをリアルタイムで観察する最も簡単な方法として、長い間求められてきた。近赤外フェムト秒パルスと極端紫外アト秒パルスをオーバーラップさせ、理論と組み合わせることで、多くの成果が得られているが、真のアト秒ポンプ/アト秒プローブ実験は限られている。われわれは、X線自由電子レーザーからの同期アト秒X線パルスペアを用いて、全X線アト秒過渡吸収分光法(AX-ATAS)により、液体水の価数イオン化に対する電子応答を研究した。解析の結果、AX-ATASの応答はサブフェムト秒の時間スケールに限定され、水素原子の運動が排除されることがわかった。また、X線発光スペクトルの1b1分裂はダイナミクスに関係するものであり、周囲の液体水に2つの構造モチーフがあることを示す証拠ではないことが実験的に証明された。

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