XFELを用いて原子核超放射を観測

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-量子光学の重要理論を厳密に検証-

2017年12月12日

理化学研究所

理化学研究所(理研)放射光科学総合研究センター バロン物質ダイナミクス研究室のアルフレッド・バロン主任研究員らの国際共同研究グループ※は、X線自由電子レーザー(XFEL)[1]施設SACLA[2]において、原子核の集団からの「超放射[3]」と呼ばれる量子力学的現象を観測し、今から60年以上前に提唱された基礎的な理論の検証に成功しました。

1954年、ロバート・ディッケは「超放射」と呼ばれる量子力学的現象を予測しました注1)。通常、光子などの量子を吸収して励起状態になった孤立原子は、ある時間が経過した後、量子を放出して基底状態へ戻ります。これを「自然放射」といいます。これに対して超放射は、同時に励起された多数の原子が一斉に量子を放出する現象で、量子放出までの時間(励起された原子の寿命)が自然放射よりも短くなるとともに、放射強度は高くなります。

今回、国際共同研究グループは、SACLAの強力なコヒーレント[4]X線パルスによって共鳴励起された多数の鉄原子核(57Fe)からのX線放射の時間推移を観測しました。その結果、放射されるX線量が増えるにしたがって最初のX線光子放出までの時間が劇的に短くなる「超放射」現象を捉えました。本研究では、放射X線の計数を1光子単位で行うことにより、まさに最初の光子が放出されるまでの時間を知ることができました。この優れた方法により、ディッケの理論を厳密に検証することができました。

本成果は将来、XFELや次世代放射光といった強力なX線を利用した観測の結果を解釈する上で重要な役割を果たすと期待できます。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Physics』に掲載されるのに先立ち、オンライン版(11月20日付け)に掲載されました。

注1)R. H. Dicke, “Coherence in spontaneous radiation processes”, Phys. Rev. 93, 99 (1954).

※国際共同研究グループ

理化学研究所 放射光科学総合研究センター
バロン物質ダイナミクス研究室
主任研究員 アルフレッド・バロン(Alfred Q. R. Baron)

XFEL研究開発部門 ビームライン研究開発グループ
グループディレクター 矢橋 牧名 (やばし まきな)

欧州シンクロトロン放射光施設(ESRF) 核共鳴グループ
研究員 アレクサンドロ・チュマコフ (Aleksandr I. Chumakov)

ドイツ電子シンクロトロン研究所(DESY)
研究員 イリヤ・セルゲーエフ (Ilya Sergueev)

米国アドバンスドフォトンソース(APS)
シニア研究員 ユーリ・シュヴィツコ (Yuri Shvyd’ko)

ロシア国立研究センター・クルチャトフ研究所
教授 ゲナディ・スミノフ (Gennadi V. Smirnov)

http://www.riken.jp/pr/press/2017/20171212_3/

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