原子の集団が数珠つなぎに電子を放出する!

原子の集団が数珠つなぎに電子を放出する!

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2017/11/29更新

-極紫外自由電子レーザーで誘起される新現象解明-

八尾誠 本研究科物理学・宇宙物理学専攻教授(論文執筆時)、永谷清信 同助教、上田潔 東北大学教授、福澤宏宣 同助教、和田真一 広島大学助教、ローレンツ・セダーバウム ハイデルベルグ大学教授、齋藤則生 産業技術総合研究所副研究部門長、矢橋牧名 理化学研究所グループディレクターらの研究グループは、日本初の短波長自由電子レーザー装置である、SCSS試験加速器から供給される強力な極紫外光パルスをネオン原子の集団に照射すると、多くの電子が数珠つなぎで飛び出してくる新しい現象を発見しました。

 

本研究成果は、2016年12月5日に英国の科学電子ジャーナル「Nature Communications」に掲載されました。

研究者からのコメント

 本研究では、極紫外自由電子レーザーを用いて原子集団中の多数の原子を瞬時に励起して効率よく多重励起状態を生成しましたが、光子エネルギーが非常に高いX線自由電子レーザーを原子集団に照射しても、過渡的に多重励起状態が多く生成することが最近の研究からわかってきました。放射線治療にも応用されている高エネルギーイオンやX線の照射によっても、放射線感応分子の周りに複数の励起原子が過渡的に生成されると予想されます。したがって、今回解明した低エネルギー電子を数珠つなぎで放出して多くのイオンを生成する新しい緩和過程は、放射線損傷や放射線治療にも重要な役割を果たしていると思われます。

概要

強力な極紫外光パルスを物質に照射すると、これまでにない特異な状態を生成することが可能です。特に、物質のイオン化エネルギーよりもわずかに低い光子エネルギー(一つの光子当たりのエネルギー)を持つ極紫外光パルスを用いると、物質内の多くの電子を同時に励起することができます。このような多重励起状態は電子を放出しながら安定な状態へと緩和すると予想されますが、詳細は知られていません。

 

そこで本研究グループは、強力な極紫外光パルスを希ガスのネオン原子が多数集まったクラスターと呼ばれる原子集団に照射し、放出される電子の運動エネルギーを計測しました。得られたスペクトルを理論計算と比較して、多重励起状態にあるネオン原子クラスターからさまざまなエネルギーを持った電子が、これまでに知られていなかった新たな経路を経て次々に放出されることを解明しました。

図:本研究で用いた手法
実験では、電子の画像データからエネルギー分布を得た。実験で得られた電子スペクトルのピークの帰属と理論計算から、多重励起緩和機構を検証した。