光が100兆分の1秒間点滅すると、奇妙なことが起こる

旧式の映写機の電球は 1 秒間に約 24 回点滅します。一般的な CRT テレビ画面は 1 秒間に 50 回から 60 回フレームが切り替わります。世界最速のカメラは、わずか 1 兆分の 1 秒のフレームを撮影できます。これは、光自体が表面をゆっくりと移動する様子を観察できるほどの短い時間です。

確かに速いかもしれないが、物理学者が扱うレーザーに比べればまだ大したことはない。超短光パルスの世界へようこそ。超短光パルスとは、レーザーから発せられてからわずか 1,000 兆分の 1 秒しか持続しない光波の小さな点滅のことである。

その時間スケールでは、奇妙なことが起こり始める。例えば、パルスはしばしばペアで次々に現れる。現在、ドイツのバイロイト大学とコンスタンツ大学の物理学者は、このペアのペースを制御できることを発見した。彼らはその研究を10月19日にOptica誌に発表した。

超短光は通常、レーザーを使用して非常に短い光のバーストを生成します (おそらく皆さんが目にするほとんどのレーザーが生成する途切れないビームとは対照的です)。その名前の通り、これらのパルスは実に短く、フェムト秒 (1 兆分の 1 秒) ほどの短さです。絶対的に最も短いものの中には、さらに短くなったものもあり、アト秒 (1 兆分の 1 秒) まで短くなっています。

なぜそんなことをするのか不思議に思う人もいるかもしれないが、科学者が超短パルスを利用する方法はいくつかある。最も効果的な利用法の 1 つは分光法である。分光法では光線をスペクトルに分割し、どの色や波長が存在するか (または存在しないか) を科学者が調べることができる。これにより、光がどこから来たのか、または通過する物質について知ることができる。

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超短パルスを分光法に利用することで、科学者は分子や原子の奥深くまで、あるいは瞬きのほんの一瞬で始まって終わるプロセスを覗くことができる。たとえば、この技術によって科学者は化学反応をその場で観察することができ、これは 1999 年のノーベル化学賞の受賞につながった。

超短パルスは、直径数マイクロメートル、あるいは数ナノメートルの極小電子部品の製造にも使用できます。医療分野でも、高精度の眼科手術や極小ステントの鋳造に使用されています。

しかし、レーザーが超短光パルスを生成する場合、多くの場合、それらはペアで生成されます。分子内の化学的に結合した原子のように、これらの「結合した」パルスは振動したり、前後に跳ね返ったり、小さな断片に分解したりすることがあります。

「こうしたレーザーを扱う多くの人は、このような現象が起きることを知っていますが、奇妙な好奇心かもしれないと考えていました」と、バイロイト大学の物理学者で、この研究の著者であるゲオルグ・ヘリンク氏は言う。「企業はこの動作モードを避けようとします。彼らが望むのは、ただ単一のクリーンなパルスだけです。」

しかし、これらの結合パルスのユニークな特性は、理論物理学者たちを長い間興味をそそってきた。彼らは、結合を制御できるのではないかと考えた。そこでヘリンクと彼の同僚たちは、インターネットを織り合わせるのに使われるような光学ガラス繊維でできたリングを作り、そのリングを通してレーザー光を発射し始めた。光パルスはぐるぐると回り、研究者たちはそれが軌道を回るのを観察できた。

以前は、時間スケールが短かったため、結合したパルスを間近で観察することは実際には不可能でしたが、新しい分光法によってそれが変わりました。「このレーザー内でパルスが往復するたびに観察することができます。これにより、以前は不可能だったこれらのダイナミクスをリアルタイムで把握できるようになりました」とヘリンク氏は言います。

これをツールボックスに取り入れることで、研究者たちはレーザー自体に目を向け、なぜレーザーが不調なのかを突き止めることができました。研究者たちは、レーザーの出力を少しの間下げることで結合を断ち切り、2 つのパルスを切り離すことができることを発見しました。その後、出力を再確立することで、空間と時間の異なる間隔で、パルスを再び結合することができました。

ヘリンク氏は、「今では、どこに脈があるかを予測でき、さらに脈の間隔を制御することさえできる」と語る。

ヘリンク氏は、彼と同僚たちはこの研究を基にして、短いレーザーパルスのシーケンスを制御できるシステムを開発したいと考えている。科学者が現在それを行うために使用している方法は、100万分の1秒を要し、比較的時間がかかる。そのときには、測定したい原子はすでに消えているかもしれない。代わりにレーザーにその作業をさせる方がはるかに効果的だとヘリンク氏は言う。

それでも、超短パルスのユーザーがこの能力を活用できるかどうかは定かではない。「私自身の見解では、これらのレーザーが本当に優れているのは、単一のパルスを作ることだ」と、この研究には関わっていないインディアナ州パデュー大学の電気技師アンドリュー・ワイナー氏は言う。「できるだけクリーンにしたい。だから、ほとんどの用途では、おそらくこれをしたくないと思う」

しかし、ほとんどのアプリケーションでパルスのペアは必要ないとしても、その背後にある科学を理解することで、より優れたレーザーを開発できる可能性がある。「その詳細を研究し、物理学を本当に理解することは興味深いと思います」とワイナー氏は言う。

「これらの影響はすべて完全には理解されていない」とヘリンク氏は言う。