BMIとDESY、アト秒プラズマレンズ実証

November, 14, 2025, Berlin--ベルリンのMax Born Institute(MBI)とハンブルクのDESYの研究者チームは、アト秒パルスを集束できるプラズマレンズを実証した。この画期的な進歩により、実験に利用できるアト秒パワーが大幅に向上し、超高速電子力学を研究する新たな機会が開かれる。この成果は、Nature Photonicsに掲載された。

アト秒パルス(わずか10億分の1秒しか持続しない光のバースト)は、原子、分子、固体の電子運動を観察および制御するために不可欠なツールである。しかし、電磁スペクトルの極紫外(XUV)またはX線領域にあるこれらのパルスを集束させることは、適切な光学系がないため、非常に困難であることが判明している。ミラーは一般的に使用されているが、反射率が低く、劣化が早い。レンズは、可視光を集束させるための最も簡単なツールだが、XUV光を吸収し、時間内にアト秒パルスを引き伸ばすため、アト秒パルスの集束には適していない。

MBIとDESYの研究者は、プラズマレンズを生成することでこの問題を解決した。それを作成するために、チームは小さなチューブ内の水素ガスを通して強い電気パルスを送る。このプロセスにより、水素原子の電子が取り除かれ、プラズマが生成される。電子は自然に管の端に向かって外側に移動し、凹レンズのようにプラズマを形作る。通常、このようなレンズは光の焦点を合わせるのではなく、光を広げる。しかし、プラズマは通常の材料とは異なる方法で光を曲げるため、代わりにアト秒パルスを集束させる。

Nature Photonicsの出版物で、研究者らは、プラズマレンズがプラズマ密度によって制御される調整可能な焦点距離で、様々な範囲のXUV光にわたってアト秒パルスを集束できることを示した。また、80%以上の高い透過率も達成した。重要なことは、研究チームは、プラズマレンズが、通常は薄い金属フィルタを必要とする赤外線駆動パルスの効果的なフィルタとして機能することを発見した。これは、これらのフィルタが不要になり、より多くのアト秒パワーを通過させることが可能であることを意味する。より強いパルスが利用可能になったことで、科学者は弱い光源によって制限されることが多いアト秒実験を実行する新たな機会を得た。

集束したアト秒パルスが時間の経過とともにどのように振る舞うかをよりよく理解するために、科学者たちはコンピュータシミュレーションを実行した。研究チームは、パルスが90～96アト秒までわずかにしか伸びないことを発見した。より現実的な条件下では、アト秒パルスの異なる色がわずかに異なる時間に到着する(チャープとして知られる現象)、プラズマレンズは実際にパルスを短くした。この場合、パルス持続時間は189アト秒から165アト秒に減少した。

アト秒プラズマレンズを実験的に実証することで、研究チームはアト秒科学の大きな限界に対処した。この技術は、簡単な位置合わせ、高い透過率、および様々な色に光を集中させる機能を提供する。これらの利点により、複雑な材料内の電子力学のマッピングから量子技術の進歩、次世代の超高速顕微鏡の実現まで、幅広いアプリケーションへの扉が開かれる。