アト秒X線レーザーの生成に成功――電子の超高速な動きを捉える新たな光を実現――

2026-10-27 東京大学,理化学研究所,大阪大学,科学技術振興機構

東京大学、理化学研究所、大阪大学などの国際共同研究グループは、X線領域で時間幅が100~400アト秒(1アト秒=10⁻¹⁸秒)のレーザーパルスを生成し、その時間幅を精密に評価することに成功した。従来、アト秒光パルスの生成には高次高調波発生が用いられてきたが、波長が短くなるほど発生効率が低下し、X線領域での実現は困難だった。今回、米国のX線自由電子レーザー施設LCLSで、電子加速器を精密に制御して1フェムト秒未満の電子パルスを生成し、周期的な磁石列であるアンジュレータに通すことで、極めて短いX線レーザーパルスを発生させた。さらに、X線照射によって物質から放出される増幅自発放出(ASE)蛍光を測定し、理論計算と比較することで、パルス幅が100~400アト秒程度であることを確認した。この成果は、化学反応の初期段階や物質内部で起こる電子の超高速運動を捉える新たな観測手段となり、物質科学、化学、生物学など幅広い分野への応用が期待される。

アト秒X線レーザーの生成に成功――電子の超高速な動きを捉える新たな光を実現――
アト秒X線レーザーの時間幅の測定法のイメージ図

<関連情報>

アト秒硬X線パルスの実験的実証 Experimental demonstration of attosecond hard X-ray pulses

Ichiro Inoue, River Robles, Aliaksei Halavanau, Veronica Guo, Thomas M. Linker, Andrei Benediktovitch, Stasis Chuchurka, Matthew H. Seaberg, Yanwen Sun, Diling Zhu, David Cesar, Yuantao Ding, Vincent Esposito, Paris Franz, Nicholas S. Sudar, Zhen Zhang, Taito Osaka, Gota Yamaguchi, Yasuhisa Sano, Kazuto Yamauchi, Jumpei Yamada, Uwe Bergmann, Matthias F. Kling, Claudio Pellegrini, …Agostino Marinelli
Nature Photonics  Published:20 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-026-02026-7

Abstract

We present the experimental confirmation of attosecond pulse generation in the hard X-ray regime with a free-electron laser. Our experiment is based on the measurements of a nonlinear optical phenomenon known as amplified spontaneous emission from 3d transition metals. By analysing the yield of the collective X-ray fluorescence induced by ultrashort pulses at the Linac Coherent Light Source, we identify the generation of attosecond pulses and shot-to-shot fluctuations in their duration, ranging from 100 as to 400 as. The inferred time–bandwidth product for 100-as pulses is approximately 2 fs eV, indicating that a fraction of the pulses is nearly transform-limited pulses. Our results confirm the generation of attosecond hard X-ray pulses that can be used to simultaneously probe matter on the timescales of electronic phenomena and with atomic spatial resolution. Furthermore, attosecond hard X-ray pulses can outrun the fastest radiation damage processes, paving the way to single-shot damage-free X-ray measurements.

1701物理及び化学
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