2023年のノーベル物理学賞受賞者はアト秒単位で電子を測定した

2023年のノーベル物理学賞が、電子の世界を探る研究で3人の物理学者に授与された。ピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウス、アンヌ・ルイリエの3人がこの名誉ある賞を共同受賞する。

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これらの物理学者たちは「人類に原子や分子内の電子の世界を探究するための新しいツールを与えた実験が評価されている」とノーベル委員会は火曜日に記した。「ピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウス、アンヌ・ルイリエは、電子が移動したりエネルギーを変えたりする急速な過程を測定するために使用できる極めて短い光パルスを生成する方法を実証した。」

アゴスティーニ氏はオハイオ州立大学の名誉教授。クラウス氏はマックス・プランク量子光学研究所およびミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学に所属。ルイリエ氏はスウェーデンのルンド大学の教授で、物理学賞を受賞した5人目の女性である。

アト秒の発見

人間が認識する際、高速で移動するイベントは、静止画像のパラパラ漫画が連続した動きとして認識されるのと同様に、互いに流れ込んでいきます。これらの極めて短いイベントをよりよく調査するには、特別な技術が必要です。

電子の世界では、こうした変化はアト秒、つまり 1 兆分の 1 秒の 100 万分の 1 秒で起こります。アト秒は非常に短いため、1 秒間に含まれるアト秒の数は、およそ 138 億年前に宇宙が誕生して以来の秒数と同じです。

原子や分子内の電子の動きは、このアト秒単位で測定される。授与委員会によると、アゴスティーニ、クラウス、ルイリエの3人は、アト秒パルスを実際にどのように観測し、測定できるかを実証する実験を行ったという。

光の倍音

1987 年、ルイリエは、赤外線レーザー光を希ガスに透過させたときに、さまざまな光の倍音が発生することを発見しました。個々の倍音は、レーザー光の各サイクルに対して一定数のサイクルを持つ光波です。倍音は、レーザー光がガス内の原子と相互作用することによって発生します。倍音は一部の電子に余分なエネルギーを与え、それが光として放出されます。それ以来ほぼ 40 年間、ルイリエはこの現象を研究し続け、その後の画期的な発見の基盤を築きました。

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2001 年、アゴスティーニは一連の連続光パルスを生成し、調査しました。これらの実験では、各パルスの持続時間はわずか 250 アト秒でした。同時に、クラウスは別の種類の実験に取り組んでいました。彼の実験により、650 アト秒持続する単一の光パルスを分離することが可能になりました。

この研究により、これまで追跡不可能だったほど急速な物理プロセスの調査が可能になりました。

「私たちは今、電子の世界への扉を開くことができます。アト秒物理学は、電子によって支配されるメカニズムを理解する機会を与えてくれます。次のステップは、それを活用することです」とノーベル物理学委員会のエヴァ・オルソン委員長は声明で述べた。

この画期的な研究は、将来、電子工学や医療に応用される可能性があります。電子工学では、物質内での電子の挙動を理解し、制御することが極めて重要です。アト秒パルスは、将来の医療診断においてさまざまな分子を識別することもできます。

「写真家がフラッシュライトを使ってハチドリの羽や野球のボールの打撃を撮影するのとほぼ同じように、今年のノーベル賞受賞者は、知られている中で最も急速な物理的効果のいくつかを捉えることができる超高速レーザーパルスを生成および測定する革新的な方法を開発した」とジョンズホプキンス大学の物理学者N.ピーターアーミテージはPopSciにメールで語った。「他の側面の中でも、彼らの研究は原子間の電子の動きについての洞察を与え、化学反応の動画を作ることを可能にする。これは注目すべき基礎科学であり、そのために行われたが、これらの発見は最終的に、高温での超伝導と光からの効率的なエネルギー収穫をもたらす効果についての洞察を可能にするかもしれない。」

2022年のノーベル物理学賞は、量子もつれの理解に対する独立した貢献により、ジョン・F・クラウザー、アラン・アスペクト、アントン・ツァイリンガーに授与されました。過去の受賞者には、1903年のピエール・キュリーとマリー・キュリー（スクウォドフスカ）と1918年のマックス・プランクがいます。