放射光によるフェムト秒超高速緩和過程の時間追跡
九州シンクロトロン光研究センターの金安達夫副主任研究員、富山大学の彦坂泰正教授、広島大学の加藤政博教授（分子科学研究所特任教授）らの共同研究チームは、極端紫外領域（注1）の放射光（注2）を用いて、キセノン原子の内殻空孔状態（注3）が起こす数フェムト秒（1フェムト秒は1000兆分の1秒）の電子的な緩和を追跡することに成功しました。この追跡は、2フェムト秒だけ継続する放射光波束のペアの時間差を数アト秒（1アト秒は100京分の1秒）という高い時間精度で制御することにより実現しました。
極端紫外より短い波長の光を原子に照射すると、原子内部に強く束縛された内殻電子を外側の軌道へと励起することが出来ます。内殻軌道に空孔が生じた原子は高いエネルギー状態にあって非常に不安定なため、フェムト秒からアト秒という極めて短い時間スケールで外側の軌道を周回する電子が内殻空孔を埋めて安定化します。今回、研究グループはアンジュレータ（注4）という光源装置を用いて極端紫外領域で二つの放射光波束を作り、その時間差をアト秒の精度で制御することにより、キセノン原子に生じた内殻空孔の電子移動による緩和を追跡することに成功しました。これは最先端のレーザー技術でのみ可能と考えられていたフェムト秒スケールで進行する電子的な緩和過程の時間追跡が、放射光を用いても可能なことを示した世界初の研究成果です。放射光の短波長特性を利用して、様々な物質の超高速反応の研究へ本手法を応用することで、機能材料や高速動作デバイスの開発、生体分子の放射線損傷の解明へも役立つことが期待されます。
本研究成果は、米国の科学雑誌Physical Review Lettersに2021年3月17日付でオンライン掲載されました。
（注1）極端紫外領域
可視光とX線の中間の波長領域。光の波長は数10 nm。
（注2）放射光
ほぼ光速の高エネルギー電子が磁場で進行方向を曲げられる際に放出する電磁波。
（注3）内殻空孔状態
原子内部で電子は原子核の周囲のいくつかの層（殻）に分かれて配置されている。この殻に含まれる電子の運動状態は、軌道として分類される。内側の電子の層を内殻と呼び、内殻の電子が失われた状態を内殻空孔状態という。
（注4）アンジュレータ
放射光発生装置の一種。周期的に極性が変わる磁石列を用いて電子に蛇行運動をさせることで指向性の高い、準単色の放射光を発生することが出来る。