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物性・原理

放射光による原子の量子状態制御に世界で初めて成功!

 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 分子科学研究所(分子研),富山大学,広島大学,および公益財団法人佐賀県地域産業支援センター 九州シンクロトロン光研究センター(SAGA-LS)は2019年11月1日,これら4機関の研究者から成る共同研究チームが,分子研の放射光施設UVSORを用いて,高い選択性をもった化学反応や量子コンピュータなどの基礎技術である,原子の量子状態制御を,従来の最先端レーザー技術に代わり,放射光で実現することに世界で初めて成功したと発表した.本研究は独立行政法人学術振興会(JSPS)の科学研究費助成事業の支援を受け,原著論文は,広島大学 加藤 政博 教授(分子研特任教授)を統括著者として,Nature Communicationsに掲載された(注).

 原子のエネルギー準位占有率などの量子状態の光による制御は,化学反応において特定の有効な反応を選択的に引き起こし,反応効率を高める手段として提唱された.また量子状態の制御は,量子コンピュータなどの量子情報処理の基礎技術である.この量子制御は,光パルスを物質に照射して形成された量子的な波の干渉により実現できる.光パルスには,波の位相の揃ったコヒーレントなレーザー光を用いるが,物質との相互作用が大きい,極端紫外光,X線への展開が望まれ,光の波としての精密なデザインが必要となった.

 そこで研究チームは,X線までもの幅広い波長域をカバーできる放射光の利用に挑戦した.放射光は,高エネルギー電子がアンジュレータの周期的磁場の中で加速度運動する際に放射される電磁波で,その時間構造は電子の運動を正確に反映するので,コヒーレントな光の精密なデザインができる.しかし,アンジュレータを通過する多数の電子がそれぞれ波束を放射し,それらが無秩序に重なり合うため,コヒーレンスが失われてしまう.これに対し,共同研究チームは,個々の高エネルギー電子から波束を二つ続けて放射させた.UVSORのBL1Uビームラインには,2台のアンジュレータが電子を遅らせるウィグラを挟んで直列に設置されている.それぞれのアンジュレータから波束が順次,ウィグラによる遅延を伴って放射され,所定間隔で遅延した波束ペアが生成される.この波束ペアも多数の電子からの放射が重なり合う.しかし,波束ペアを用いると,重なりがあっても量子状態制御が出来ることを実験的に確めた.

 ヘリウム(He)原子を標的として,2台のアンジュレータからの極端紫外線の波長域の放射光(エネルギー24eV,波長~50nm)を照射しHeを励起し,励起状態から生じる蛍光の強度を波束の時間差を変えながら測定したところ,蛍光強度には170アト秒(as:10-15s)程度の周期構造が見られ,その振幅が波束間の時間差とともに変ることが観測された.これは,He原子が応答しているのが,重なりの中の一つの波束だけであるためと考えられる.また,Heの三つの励起状態(4p,5p,6p励起状態)からの蛍光を選別して観測しところ,その相対強度が時間差によって変わることがわかった.

 X線波長域に及ぶ放射光を用いた量子状態制御は,化学反応制御や機能性材料創生への応用が期待される.

(注)Y. Hikosaka, T. Kaneyasu, M. Fujimoto, H. Iwayama, and M. Katoh, "Coherent control in the ex-treme ultraviolet and attosecond regime by synchrotron radiation", Nature Communications Vol. 10, Article number: 4988 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-12978-w; Published: 01 November 2019