この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。
想像を絶するほど素早い素粒子の世界の姿を垣間見るには、想像を絶するほど短い閃光を発生させる必要があります。アンヌ・ルイリエ、ピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウスの3人は、想像を絶するほど短い時間スケールで現実を照らす技術の開発における先駆的な研究により、2023年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。
1980年代から2000年代初頭にかけて、3人の物理学者は、わずかアト秒（1秒の何十億倍も短い周期）のレーザーパルスを生成する技術を開発しました。このような短い閃光を見ると、世界の動きが遅く感じられます。ハチドリの羽ばたきは永遠に感じられ、原子の絶え間ない羽音さえも鈍く感じられます。アト秒の時間スケールでは、物理学者は電子が原子の周りを飛び回り、あちこちを飛び回る様子を直接検出することができます。
「アト秒光パルスを生成する能力は、極めて微小な時間スケールへの扉を開きました。また、電子の世界への扉も開きました」と、ノーベル物理学賞委員会委員長であり、チャルマース工科大学の物理学者であるエヴァ・オルソン氏は述べています。
電子を研究する根本的に新しい方法であることに加え、超スローモーションで世界を観察するこの手法は、多くの応用につながる可能性があります。ノーベル賞委員会の委員であるマッツ・ラーソン氏は、この技術が「アト化学」、つまり光を用いて個々の電子を操作する能力という分野を切り開いたと評価しました。ラーソン氏によると、半導体にアト秒レーザーパルスを照射すると、材料はほぼ瞬時に電流を遮断する状態から電気を伝導する状態へと変化し、超高速電子機器の製造を可能にする可能性があるとのことです。今年の受賞者の一人であるクラウス氏も、アト秒パルスの力を利用して、がんの初期段階を示唆する可能性のある血液細胞の微妙な変化を検出しようと試みています。
超高速の世界は私たちの世界とはまったく異なりますが、ルイリエ、アゴスティーニ、クラウス、その他の研究者たちの研究により、その世界がようやく見えてきたところです。
アト秒とは何ですか?
1アト秒は100兆分の1秒、つまり0.0000000000000000001秒です。1秒間に経過するアト秒の数は、宇宙誕生以来経過した秒数よりも多くなります。
イラスト：メリル・シャーマン／クォンタ・マガジン
惑星の運動を計るには、日、月、年といった単位で考えます。100メートル走の人間を測るには、秒単位、あるいは100分の1秒単位を使います。しかし、超微細な世界に深く入り込むと、物体はより速く動きます。電子の動きのような、ほぼ瞬間的な動きを測るには、はるかに細かい目盛り、つまりアト秒単位のストップウォッチが必要です。
1925年、量子力学の先駆者の一人であるヴェルナー・ハイゼンベルクは、電子が水素原子の周りを一周するのにかかる時間は観測不可能であると主張しました。ある意味で、彼は正しかったのです。電子は、惑星が恒星の周りを回るのと同じように原子核の周りを回るわけではありません。物理学者は、電子を特定の場所と時間に観測される確率を与える確率の波として理解しています。つまり、文字通り宇宙を飛び回る電子を測定することはできないのです。
しかし別の意味では、ハイゼンベルクはルイリエ、アゴスティーニ、クラウスといった20世紀の物理学者たちの創意工夫を過小評価していたと言えるでしょう。電子がここに存在するかそこに存在するかの確率は、刻一刻と、アト秒ごとに変化します。そして、進化する電子と相互作用できるアト秒レーザーパルスを生成できる技術があれば、研究者は様々な電子の挙動を直接調べることができます。
物理学者はどうやってアト秒パルスを生成するのでしょうか?
1980年代、カリフォルニア工科大学のアハメド・ゼワイルは、数フェムト秒（数千アト秒）持続するパルスでレーザーをストロボ発光させる技術を開発しました。この閃光は、ゼワイルに1999年のノーベル化学賞をもたらし、分子内の原子間の化学反応がどのように進行するかを研究するのに十分なものでした。この進歩は「世界最速のカメラ」と称されました。
しばらくの間、より高速なカメラは実現不可能と思われていました。光の振動速度をこれ以上速くする方法が明確ではなかったのです。しかし1987年、アンヌ・ルイリエとその共同研究者たちは興味深い観察を行いました。特定のガスに光を当てると、その原子が励起され、元のレーザーよりも何倍も速く振動する別の色の光を再放射するというものです。これは「倍音」と呼ばれる効果です。ルイリエのグループは、アルゴンなどのガスにおいて、これらの追加の色の一部が他の色よりも明るく見えることを発見しましたが、そのパターンは予想外でした。当初、物理学者たちはこの現象をどう解釈すべきか分からず困惑していました。
1990年代初頭、ルイリエと他の研究者たちは量子力学を用いて、様々な倍音の強度の違いを計算しました。そして、ゆっくりと振動する赤外線レーザーが原子雲に当たると、それらの原子がどのようにして高速で振動する「極端紫外線」の光線を放射するかを正確に予測することができました。どの倍音が発生するかが分かると、彼らはそれらを重ね合わせ、アト秒スケールでピークが急上昇する新たな波を作り出す方法を考案しました。ラーソンは、巨大な原子集団を巧みに操ってこれらの微調整された波を協調的に生成させるプロセスを、オーケストラが音楽を奏でるプロセスに例えました。
その後数年間、物理学者たちは倍音に関するこの詳細な理解を活用し、実験室でアト秒パルスを生成しました。アゴスティーニと彼のグループは、「2光子遷移の干渉によるアト秒ビートの再構成」を意味する「ラビット」と呼ばれる手法を開発しました。このラビットを用いて、2001年にアゴスティーニのグループは、それぞれ250アト秒持続するレーザーパルス列を生成しました。同年、クラウスのグループは、ストリーキングと呼ばれるわずかに異なる手法を用いて、それぞれ650アト秒持続する個々のバーストを生成・研究しました。2003年、ルイリエと彼女の同僚たちは、わずか170アト秒持続のレーザーパルスで、両者の記録を破りました。
フェムト秒の壁は打ち砕かれた。
アト秒パルスで何ができるでしょうか?
アト秒パルスにより、物理学者は数十から数百アト秒の範囲で起こるあらゆる変化を検出することができます。最初の応用は、物理学者が長らく不可能（あるいは少なくとも極めてあり得ない）と考えてきたこと、つまり電子が何をしているのかを正確に観察することに挑戦することでした。
1905年、アルバート・アインシュタインは光電効果を解明し、量子力学の分野を切り開きました。光電効果とは、金属板に光を当てると電子が空中に飛び出す現象です（彼は後にこの理論で1921年のノーベル物理学賞を受賞しました）。アト秒物理学の時代以前は、物理学者は一般的に、飛び出した電子の解放につながる一連の反応は瞬時に起こると考えていました。
2010年、クラウス氏らは、その逆の結果を示しました。彼らはアト秒パルスを用いて、ネオン原子から弾き出された電子の速度を計測しました。特に、低エネルギー状態の電子は、高エネルギー状態の電子よりも21アト秒速くホストから逃げることを発見しました。また2020年には、別の研究グループが、電子が液体の水から逃げる速度は水蒸気から逃げる速度よりも数十アト秒速いことを示しました。
アト秒パルスのさらなる応用が開発中です。この技術は、粒子が電荷を運び、遮断する仕組み、電子が互いに跳ね返る仕組み、そして電子が集団的にどのように振る舞うかなど、電子の様々な動作を調べることができます。クラウス氏はまた、アト秒パルスをヒトの血液に照射しています。昨年、彼は血液サンプルのわずかな変化から、早期がんの有無や種類を判断できることを実証するのに貢献しました。
今朝早く、ノーベル委員会はルイリエ氏に連絡がつかず、彼女が史上5人目の女性物理学賞受賞者となったことを伝えようとしたが、なかなか連絡がつかなかった。3、4回電話に出られなかった後、ようやく連絡がついた時には、ルイリエ氏は学生たちに講義をしている最中だった。最後の30分は非常に辛かったそうだが、なんとか講義を終えることができた。「今、とても感動しています」と、彼女は後に語った。
オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。
