富山大ら,原子の量子状態制御を放射光で実現

富山大学,九州シンクロトロン光研究センター,広島大学らの研究グループは,分子科学研究所の放射光施設UVSORを用いて,最先端のレーザー技術でのみ可能と考えられてきた原子の量子状態制御を放射光で実現することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

化学合成において直接的に反応を制御し,特定の反応を選択的に引き起こす反応制御法として,量子状態制御(コヒーレント制御)が提唱されている。

量子状態制御では,波の性質を精密にデザインした光を用い,これと物質とを相互作用させることで,物質の量子状態を直接的に操作して反応制御を実現する。このような光化学反応の制御に加え,今日では量子情報分野の基礎技術としても量子状態制御の利用が進められている。

これまでに幾つかの量子状態制御の方式が確立されているが,二つの光パルスを用いる波束干渉法は最も汎用性が高い。波束干渉法では,位相を精密に制御した二つの光パルスを物質に照射することで,その物質に量子的な波を二つ形成する。そして,それら二つの波の干渉を利用することで,その物質の状態や反応を制御する。

このような量子状態の制御は,孤立原子や分子,半導体ナノ構造等の様々な対象に対してレーザー光を用いることで実現されている。これはレーザー光が波の位相の揃った時間的にコヒーレントな光であり,その波の性質の制御が容易であることによる。

近年,レーザー高次高調波や自由電子レーザーといった波長の短いレーザーも開発されるようになり,極端紫外線の波長域での量子状態制御も報告されている。しかしながら,波長が短くなればなるほどレーザー光の波としての性質を精密にデザインすることが技術的に困難になり,それによって量子状態制御の短波長化や高時間分解能化が阻まれてきた。

研究グループは今回,X線までもの幅広い波長域で既に汎用的に用いられている,アンジュレータから放射される極端紫外線の波長域の放射光を用い,ヘリウム原子の量子状態を制御することに成功した。

これは,量子状態制御の短波長化・高時間分解能化に,レーザーの利用とは全く違う方向からの突破口を切り開く成果だとしている。

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