世界で初めてX線レーザー照射による固体からのテラヘルツ波放射を観測 ~X線の差周波過程を世界で初めて実証~

2026-10-28 高輝度光科学研究センター,理化学研究所

高輝度光科学研究センター(JASRI)と理化学研究所の研究チームは、X線自由電子レーザー(XFEL)を固体に照射し、テラヘルツ波が放射される現象を世界で初めて観測した。大型放射光施設SPring-8で半導体のテルル化亜鉛(ZnTe)の光学特性を評価し、X線からテラヘルツ波への変換条件を検討したうえで、X線自由電子レーザー施設SACLAの10 keV、10フェムト秒のX線パルスをZnTe単結晶に照射した。その結果、X線からテラヘルツ波への約1億分の1の周波数変換を実証した。さらに、放射強度の結晶方位依存性、X線強度依存性、偏光特性を調べ、異なる周波数のX線から周波数差に相当する光が生じる「差周波発生」という非線形光学効果が原因であることを確認した。本成果は、長年観測が困難だったX線領域の非線形光学現象を解明する重要な進展である。将来的には、テラヘルツ波を利用して、X線照射で生じる物質内部の超高速な電子状態や分極の変化を調べる新しい計測技術につながり、磁性体や量子物質の物性解明への応用が期待される。

世界で初めてX線レーザー照射による固体からのテラヘルツ波放射を観測 ~X線の差周波過程を世界で初めて実証~

<関連情報>

X線差周波過程によるテラヘルツ波放射 Terahertz emission by X-ray difference-frequency generation

N. Kida, T. Togashi, K. Tono, Y. Ikemoto & K. Sawada
Nature Communications  Published:20 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-78823-z  Early provide

Abstract

Nonlinear interactions between X-rays and matter represent a new frontier in ultrafast science. However, X-ray difference-frequency generation (DFG)—a fundamental second-order nonlinear optical process—has not been experimentally observed until now. Here, we report the first observation of terahertz emission induced by hard X-ray free-electron laser (XFEL) pulses in solids, providing evidence for X-ray DFG. Using 10-fs, 10-keV XFEL pulses incident on ZnTe, we detected terahertz emission arising from wave mixing between different spectral components within the XFEL bandwidth. The emitted terahertz waves originate from second-order nonlinear polarization evolving on a femtosecond timescale. The polarization and angular dependences of the terahertz emission confirm that X-ray DFG is mediated not only by DFG without spatial inversion symmetry but also by DFG with spatial inversion symmetry. Quantitative analysis yields a DFG susceptibility ratio of the former to the latter of 58±4%, and the generation efficiency for 10 keV excitation is approximately 1% of that for near-infrared 1.55 eV excitation in the 100-μm-thick ZnTe crystal, while the intrinsic response normalized by interaction length is comparable. These results establish XFEL-induced terahertz emission as a general platform for probing second-order X-ray nonlinearities and ultrafast polarization dynamics in solids.

1701物理及び化学
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