ブックタイトル日本結晶学会誌Vol59No1

概要

日本結晶学会誌Vol59No1

日本結晶学会誌59，34-38（2017）特集SACLAX線自由電子レーザーSACLAを用いた量子光学研究電気通信大学レーザー新世代研究センター米田仁紀Hitoki YONEDA: Quantum Optics Research Works in X-ray Free Electron LaserSACLA FacilityRecent X-ray free electron lasers（XFEL）open new scientific field of broad area. Quantum opticsin hard x ray photon are one of the advanced field of them. Specially, after success of XFEL pumpedKαlaser, many quantum processes come within the range of research and scientific applications.In this article, simple physical model for understanding these activities is introduced with actualexperimental results. Prospect of next possibilities is also briefly mentioned.1．はじめに1.1 X線自由電子レーザー照射状態1.1.1内殻電子励起固体X線自由電子レーザー（X-ray free electron laser；XFEL）1）,2）のもつ超短パルス性，高強度性，硬X線までの高光子エネルギー性，さらに，非共鳴な波長のチューナビリティ性によって，これまでのX線源や光学レーザーとは異なった新しい光励起状態ができるようになった．ここでは，まず，その特異性について述べる．原子にX線（特に硬X線）が照射されると内殻電子励起が起き，K殻などの電子軌道に空孔ができる．この状態は，Auger過程による電子放出や特性X線蛍光放射などといった，より外側の電子からの緩和によって解消される．本稿で紹介する原子（Ti～Znまでの遷移金属）の緩和時間は1フェムト秒を切る．一方，光励起の速度1/τphoto-excitationは，照射強度I，吸収係数αに比例し呼ばれる，吸収係数がジャンプしている波長の位置が，図1のように高エネルギー側にシフトする．この過程を利用して固体内の数十％の原子が吸収係数が一様に変化すれば，超高速で硬X線領域の光スイッチが実現できる．一方，吸収係数は，光学屈折率の虚部の変化であるが，屈折率の虚部と実部はKramers-Kronigの関係があり，片側が変化すればもう片側にも変化が現れる．実部が光入射で変化すれば，光学波長領域で起きている光導波のようなものを固体内に形成できる可能性が出てくる．1.1.2クーロン爆発vs.ホロー原子固体前節では，個々の原子内の過程に注目したが，原子が密に集まった状態でX線が照射されると，大量の電子のイオン化によって電荷中性が崩れ，クーロン爆発を起こす可能性があると言われている．しかし，金属固体状態τphoto?excitationN solid= hν（1）αIで与えられる．ここで，N solidは固体中の原子密度，hνは光子エネルギーである．X線強度が十分高く，光励起速度が緩和過程よりも速い場合は，固体内の空孔密度が時間とともに増加する．この増加に転ずる強度は，前述の遷移金属のデータによれば，およそI＝2～4×10 19 W/cm 2となる．詳細な計算機シミュレーションを行えば，この強度で固体内の20％程度原子をイオン化できることがわかる．われわれはこの状態を“ホロー原子固体”と名付けている．K殻には2つの電子がある．片側が励起された場合，残された電子は原子核の正電荷によって強く引かれてポテンシャルエネルギーが増加すると予想できる．この変化を吸収スペクトルで見ていると，いわゆるK吸収端と図1XFEL照射された原子でK殻電子が励起された時の吸収スペクトルの変化.（Shift of absorption edgedue to excitation of hard X-ray laser.）34日本結晶学会誌第59巻第1号（2017）