2023年10月3日夜、アト秒レーザー技術の分野で先駆者として重要な役割を果たした3人の科学者の卓越した貢献を称え、2023年のノーベル物理学賞が発表されました。

「アト秒レーザー」という用語は、その動作時間が非常に短いことに由来しています。具体的には、10の-18乗秒に相当するアト秒オーダーです。この技術の深遠な意義を理解するには、アト秒が何を意味するのかを根本的に理解することが不可欠です。アト秒は極めて微小な時間単位で、1秒という広い意味では10億分の1秒のさらに10億分の1に相当します。例えば、1秒をそびえ立つ山に例えると、1アト秒は山の麓にひっそりと眠る一粒の砂粒に相当します。このつかの間の時間間隔では、光でさえ原子1個分の距離しか移動できません。アト秒レーザーを利用することで、科学者は、映画のフレームごとのスローモーション再生のように、原子構造内の電子の複雑な動きを精査し、操作するという前例のない能力を獲得し、それによってそれらの相互作用を詳しく調べることができます。

アト秒レーザー超高速レーザーは、非線形光学の原理を駆使して超高速レーザーを開発した科学者たちの広範な研究と共同努力の集大成です。その登場は、固体材料中の原子、分子、さらには電子内部で起こる動的過程の観察と探究に革新的な視点をもたらしました。

アト秒レーザーの性質を解明し、従来のレーザーと比較してその特異な特性を理解するには、より広範な「レーザーファミリー」におけるアト秒レーザーの分類を探求することが不可欠です。波長による分類では、アト秒レーザーは主に紫外線から軟X線までの周波数範囲に含まれ、従来のレーザーと比較して波長が著しく短いことを意味します。出力モードの観点から見ると、アト秒レーザーはパルスレーザーのカテゴリーに属し、非常に短いパルス持続時間を特徴としています。分かりやすく例えると、連続波レーザーは連続光線を放射する懐中電灯に、パルスレーザーは点灯と消灯を急速に繰り返すストロボライトに似ています。本質的に、アト秒レーザーは点灯と消灯の間を脈動する挙動を示しますが、この2つの状態間の遷移は驚異的な周波数で発生し、アト秒領域に達します。

レーザーは、出力によってさらに分類され、低出力、中出力、高出力に分類されます。アト秒レーザーは、パルス持続時間が極めて短いため、高いピーク出力を実現し、顕著なピーク出力（P）をもたらします。ピーク出力は、単位時間あたりのエネルギー強度（P=W/t）として定義されます。個々のアト秒レーザーパルスは、並外れて大きなエネルギー（W）を持たない場合もありますが、その時間的広がり（t）が短いため、高いピーク出力が得られます。

応用分野において、レーザーは産業、医療、科学分野を網羅する幅広い領域を網羅しています。アト秒レーザーは主に科学研究の分野で、特に物理学と化学の領域における急速に進化する現象の探究において、ミクロの世界における素早い動的プロセスを垣間見るための窓を提供しています。

レーザー媒質による分類では、レーザーは気体レーザー、固体レーザー、液体レーザー、半導体レーザーに分類されます。アト秒レーザーの生成は、通常、気体レーザー媒質に依存し、非線形光学効果を利用して高次高調波を発生させます。

要約すると、アト秒レーザーは、典型的にはアト秒単位で測定される極めて短いパルス幅を特徴とする、独特なクラスの短パルスレーザーです。その結果、原子、分子、固体材料内の電子の超高速な動的過程を観測および制御するために不可欠なツールとなっています。

アト秒レーザー生成の精巧なプロセス

アト秒レーザー技術は科学革新の最前線にあり、その生成には驚くほど厳密な条件が求められます。アト秒レーザー生成の複雑さを解明するため、本書ではまずその基礎原理を簡潔に解説し、続いて日常的な経験から得た鮮明な比喩を用いて解説します。関連する物理学の複雑さに疎い読者でも、本書の比喩はアト秒レーザーの基礎物理学を分かりやすく解説することを目的としているため、ご安心ください。

アト秒レーザーの生成プロセスは、主に高調波発生（HHG）と呼ばれる技術に基づいています。まず、高強度フェムト秒（10^-15秒）レーザーパルスビームを気体ターゲット物質に集束させます。アト秒レーザーと同様に、フェムト秒レーザーもパルス幅が短く、ピーク出力が高いという特徴を共有していることは注目に値します。強力なレーザー場の影響下で、気体原子内の電子は原子核から一時的に解放され、一時的に自由電子状態になります。これらの電子はレーザー場に応じて振動し、最終的には元の原子核に戻って再結合し、新たな高エネルギー状態を作り出します。

このプロセス中、電子は極めて高速で移動し、原子核と再結合すると、高調波放出の形で追加のエネルギーが放出され、高エネルギー光子として現れます。

新たに生成された高エネルギー光子の周波数は、元のレーザー周波数の整数倍であり、いわゆる高次高調波を形成します。ここで「高調波」とは、元の周波数の整数倍の周波数を指します。アト秒レーザーを生成するには、これらの高次高調波をフィルタリングして集束させ、特定の高調波を選択して焦点に集める必要があります。必要に応じて、パルス圧縮技術によってパルス幅をさらに短縮し、アト秒領域の超短パルスを生成することもできます。このように、アト秒レーザーの生成は高度で多面的なプロセスであり、高度な技術力と特殊な装置が求められます。

この複雑なプロセスをわかりやすくするために、日常のシナリオに基づいた比喩的な類似点を紹介します。

高強度フェムト秒レーザーパルス：

高強度フェムト秒レーザーパルスが果たす役割と同様に、石を瞬間的にものすごい速度で投げることができる非常に強力なカタパルトを所有することを想像してください。

ガスターゲット物質:

気体ターゲット物質を象徴する静かな水域を想像してみてください。水滴一つ一つが無数の気体原子を表しています。この水域に石を投げ込むという行為は、高強度フェムト秒レーザーパルスが気体ターゲット物質に及ぼす衝撃を、まさに模倣しています。

電子の運動と再結合（物理的には遷移と呼ばれる）

フェムト秒レーザーパルスがガス状ターゲット物質内のガス原子に衝突すると、相当数の外殻電子が瞬間的に励起され、それぞれの原子核から分離してプラズマのような状態を形成します。その後、システムのエネルギーが減少すると（レーザーパルスは本質的にパルス状であり、休止期間があるため）、これらの外殻電子は原子核の近傍に戻り、高エネルギー光子を放出します。

高調波発生：

水滴が湖面に落ちるたびに、アト秒レーザーの高調波のように波紋が生まれる様子を想像してみてください。これらの波紋は、最初のフェムト秒レーザーパルスによって引き起こされる元の波紋よりも高い周波数と振幅を持ちます。高調波生成プロセスでは、石を投げ続けるような強力なレーザービームが、湖面を模したガスターゲットを照射します。この強力なレーザー場は、波紋のようにガス中の電子を親原子から遠ざけ、そして引き戻します。電子が原子に戻るたびに、より複雑な波紋パターンに似た、より高い周波数の新たなレーザービームを放射します。

フィルタリングとフォーカス:

新たに生成されたこれらのレーザービームをすべて合成することで、様々な色（周波数または波長）のスペクトルが生成され、その一部がアト秒レーザーを構成します。特定のリップルサイズと周波数を分離するには、目的のリップルを選択するのと同様に、特殊なフィルターを使用し、拡大鏡を使用して特定の領域に焦点を合わせます。

パルス圧縮（必要な場合）:

リップルをより速く、より短く伝播させたい場合、特殊な装置を用いて伝播を加速し、各リップルの持続時間を短縮することができます。アト秒レーザーの生成には、複雑なプロセスの相互作用が伴います。しかし、分解して視覚化すると、より理解しやすくなります。