MAX Born Institute、1kHz全アト秒分光学法をデモ

March, 18, 2024, Berlin--マックス・ボルン研究所（MAX Born Institute）の研究者チームは、1kHzの繰り返しレートでアト秒ポンプアト秒プローブ分光法(APAPS)を初めて実証した。これは、焦点外れ生成ジオメトリを使用したコンパクトで強力なアト秒光源の開発によって可能になった。このアプローチは、アト秒領域における超高速電子ダイナミクスの研究に新たな道を開くものである。

第 1 世代のアト秒パルスは、今世紀初頭に、電子の世界への前例のない洞察を可能にした。2001年にアト秒パルスの実証に初めてつながった先駆的研究により、Anne L’Huillier、Pierre Agostini、Ferenc Krauszは2023年ノーベル物理学賞を受賞した。
しかし、現在のアト秒技術には重大な欠点がある:ポンププローブ実験で動画を記録するには、通常、アト秒パルスをフェムト秒パルスと組み合わせる必要があるの光サイクル(数フェムト秒の長さ)がアト秒分解能のクロックとして使用される。これは、アト秒時間スケールでの電子ダイナミクスの研究の限界を構成するものである。

アト秒パルスが初めて実証されて以来、多くの科学者は、第1のアト秒ポンプパルスが原子、分子、または固体試料の電子ダイナミクスを開始し、第2のアト秒プローブパルスが異なる時間遅延で系に問い合わせる実験を行うことを夢見てきた。この目標は、強烈なアト秒パルスを必要とするため、非常に困難であることが判明した。しかし、高調波発生(HHG)の根底にあるプロセスは非常に非効率的である。その結果、大規模なセットアップと低繰り返しレート(10〜120Hz)で動作する特殊なレーザシステムを利用したアト秒ポンプアト秒プローブ分光法(APAPS)の原理実証はごくわずかしか報告されていない。

ベルリンのマックス・ボルン研究所(MBI)の研究者チームは、よりコンパクトなセットアップでAPAPS実験を実施できるよう、異なるアプローチを実証した。この目的のために、チームはキロヘルツ（kHz）の繰り返しレートでターンキー駆動レーザを使用した。これにより、APAPSの実装を成功させるための重要な要件である、運用の安定性が大幅に向上した。
科学者たちは、ガスジェットでアト秒パルスを生成するために赤外線レーザパルスを使用した。しかし、アト秒パルスが通常発生する方法とは対照的に、ガスジェットを駆動するレーザ焦点の近くではなく、そこから少し離れた場所に配置するというアイデアを思いついた。その結果、パルスエネルギーが比較的高く、仮想光源サイズが小さいアト秒パルスが生成され、再集束後に高強度のアト秒パルスを得ることができた。

研究チームは、この安定で強力なアト秒源を利用して、アト秒ポンプパルスによってアルゴン原子をイオン化し、一価のArイオンを生成するAPAPS実験を行った。これらのイオンの形成は、アト秒プローブパルスによってプローブされ、さらなるイオン化と二重荷電Arの形成につながった+2+イオン。その結果、Ar2+非常に速いタイムスケールでのイオン収量が観察される。これは、関与するポンプパルスとプローブパルスが実際にアト秒パルス幅を持っていることを示している。

この研究で使用された適度な赤外線駆動パルスエネルギーは、メガヘルツレベル（MHz）までのさらに高い繰り返し率でAPAPS実験を実行する道を開く。これらの実験に必要なレーザシステムは、すでに利用可能または開発中である。その結果、この斬新な概念は、現在のアト秒技術ではアクセスできない、極めて短い時間スケールで電子の世界への前例のない洞察を可能にすると見られている。
（詳細は、https://mbi-berlin.de）