宇宙よりも冷たいX線レーザーの作り方

物理学界は、長期にわたるアップグレードと数年に及ぶ休止期間を経て、ようやく稼働を開始した欧州原子核研究機構 (CERN) の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) に結集している。しかし、文字通り新たなエネルギーを受け取る科学実験装置はこれだけではない。地球の反対側、約 6,000 マイル離れたところでは、もう 1 台の装置が最終調整中である。

サンフランシスコ南部にあるSLAC国立加速器研究所には、LCLSと呼ばれる大型レーザーがあり、科学者はこれを使ってX線で分子を観察することができる。「LCLSのような施設は、まさに超解像度顕微鏡と考えることができます」と、施設長のマイク・ダン氏は言う。

現在、LCLS は、レーザーを絶対零度よりわずか数度高い温度まで下げる LCLS-II と呼ばれる大規模なアップグレードを完了したばかりです。

粒子加速器に新たな命を吹き込む

半世紀前、SLAC のトンネルには粒子加速器が設置されていた。今日の粒子加速器のほとんどは、粒子をぐるぐる回すのに対し、この加速器は完全に直線だった。電子を加速させて衝突させるには、2 マイル以上の長さが必要だった。開通後数十年間、この加速器は「世界最長の建物」だった。(このトンネルは特徴的で、丘陵地帯に 1 マイルの直線が刻まれているため、パイロットは道案内に使用している。)

1966 年に稼働を開始したこのいわゆるスタンフォード線形加速器は、工学上の驚異でした。その後数十年間、ここで行われた素粒子物理学の研究は、3 人ものノーベル物理学賞につながりました。しかし、21 世紀になると、この加速器は一種の遺物となり、はるかに高いエネルギーで粒子を衝突させ、スタンフォードでは観測できないものを観測できる CERN やその他の加速器に追い抜かれました。

しかし、その 2 マイルの長さの建物はそのまま残り、2009 年に SLAC はそこに新しい機械、Linac Coherent Light Source (LCLS) を設置しました。

LCLS は、X 線自由電子レーザー (XFEL) と呼ばれる装置の一例です。レーザーではありますが、子猫を興奮させる小さな手持ち式レーザー ポインターとはあまり共通点がありません。これらは、ダイオードなどの電子部品を使用してレーザー ビームを生成します。

一方、XFEL は粒子加速器と多くの共通点があります。実際、レーザーの第一段階は、電子ビームを光速に非常に近い速度まで加速することです。次に、これらの電子は磁石の列を通過し、ジグザグに急速なスイッチバックを強いられます。その過程で、電子は膨大なエネルギーを X 線として前方に発射します。

こうすることで、マイクロ波から紫外線、可視光線まで、あらゆる種類の電磁波を生成できます。しかし、科学者は X 線を使用することを好みます。X 線の波長は原子とほぼ同じで、強力なビームに焦点を合わせると、科学者は分子の内部を覗くことができるからです。

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LCLS は、世界の他のほとんどの X 線源とは異なります。カリフォルニア ビームはストロボ ライトのように機能します。「各フラッシュは、特定の状態にある分子の動きを捉えます」とダン氏は言います。

LCLS は当初、1 秒間に 100 回のフラッシュを発射することができました。これにより、科学者は、たとえば化学反応が起こっている様子を映画に撮ることができました。原子間の結合が形成されたり、壊れたり、新しい分子が作られる様子を観察できました。近い将来、フレーム レートが数千倍も速い映画が作れるようになるかもしれません。

レーザーを冷却する

LCLS は最初のバージョンでは、電子を加速するために銅構造を使用していました。しかし、機械全体の出力を増大させると、銅の限界に達しました。「銅は電流を過剰に引き込み、ヒューズ ボックスで電線を溶かすときのように溶けてしまいます」とダン氏は言います。

それを回避する方法があります。それは、超伝導と呼ばれる奇妙な量子効果です。

物質をある臨界温度以下に下げると、その電気抵抗は実質的にゼロになります。すると、熱として周囲にエネルギーを失うことなく、実質的に電流を無限に流すことができます。

LCLS は、このような技術を使用する最初のレーザーではありません。問題は、その温度 (通常は絶対零度よりわずか数度高い) に到達するのが決して簡単なことではないことです。

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「極低温まで冷却するこれらの極低温システムを維持するのは非常に困難です」と、以前この技術に取り組んでいたコーネル大学の物理学者、ゲオルグ・ホフステッター氏は言う。それより少しだけ厳しい温度で作動する超伝導材料はあるが、数百フィートの長さの空間で機能するものはない。

小規模な施設であれば、この課題に動揺したかもしれないが、SLAC は建物の一端に倉庫ほどの大きさの冷蔵庫を建設した。液体ヘリウムを使用して加速器を華氏 -456 度まで冷却する。

超伝導には、設備のエネルギー効率を高めるという利点もある。大規模な物理学施設は、小国と同じくらい多くの電力を消費することで有名だ。「超伝導技術自体は、ある意味ではグリーン技術です。加速器の電力が熱に変換されるのはごくわずかだからです」とホフステッター氏は言う。

アップグレードが完了すると、新しく改良された LCLS-II は、1 秒間に 100 パルスだけでなく、100 万パルスも送信できるようになります。

1秒あたり100万フレームで何をするか

ダン氏は、X線ビームが科学を進歩させることができる主な分野は大まかに3つあると語る。まず、X線ビームは化学者がより少ない材料で反応を速くする方法を見つけるのに役立ち、より環境に優しい工業プロセスやより効率的な太陽電池パネルにつながる可能性がある。

また、このツールは、他の方法では研究が難しい人体の酵素に医薬品がどのように影響するかを調べるなど、新薬の発見などの研究を行っている生物学者を支援することもできます。

3 つ目は、このビームによって、X 線集中照射などの極限条件下で物質がどのように挙動するかを材料科学者がより深く理解できるようになることです。科学者はこれを利用して、さらに優れた超伝導体など、新しい物質を設計し、この装置のような将来の物理装置を構築することもできます。

もちろん、落とし穴もある。このような機械の大幅なアップグレードの場合と同様に、物理学者は新しいツールの使い方を学ぶ必要がある。「科学をゼロから学ぶ必要があるのです」とダン氏は言う。「これまでやってきたことと同じではありません…まったく新しい分野なのです。」

科学者が解決しなければならない問題の 1 つは、レーザーが生成するデータ (1 秒あたり 1 テラバイト) をどう処理するかだ。これはすでに大規模な施設が直面しているハードルだが、ネットワークやスーパーコンピューターが追いつけない場合、さらに深刻化する可能性がある。

それでも、物理学者たちの改良への熱意は衰えていない。科学者たちはすでに、レーザーのさらなる改良を計画しており、2020年代後半に予定されている。改良によりレーザーのエネルギーが増強され、原子の世界をさらに深く探査できるようになる。