10月2日に発表された今年のノーベル物理学賞は、どうもただの｢すごい技術｣というだけではなさそうです。

革新的なレーザー研究が、どこにでも見られる｢ユビキタス｣なツールとして世界に普及した、歴史的偉業が評価されたものです。受賞が発表されたと同時にさっそく米Gizmodoでも｢Berkeley Lab Laser Accelerator（バークレー・ラボ・レーザー加速器）｣、通称｢BELLA｣の訪問を計画しましたよ。ノーベル賞受賞で脚光を浴びた技術を採用した、今地球上でもっともパワフルなレーザーパルス加速器です。名前を聞いただけでワクワク気分が加速しちゃいますね。

ノーベル物理学賞を共同受賞したのは、以下の3人。

・アーサー・アシュキン氏（米ベル研究所）

・ジェラール・ムル氏（仏エコール・ポリテクニーク）

・ドナ・ストリックランド氏（カナダ・ウォータールー大学）

ドナ・ストリックランド氏は55年ぶり歴代受賞3人目の女性となります。

このBELLAは、 ストリックランド氏とムル氏によって開発された｢チャープパルス増幅（Chirped Pulse Amplification）｣というレーザー増幅技術を採用しています。これらの装置は卓上に載るほど小さいという意味である“テーブルトップ”粒子加速装置をさらにパワーアップするもので、原子を画像化する超顕微鏡などに応用できます。これは物理学に秘められた科学の可能性をさらに解き放つものでもあります。

ドナ・ストリックランド博士 Image: カナダ・ウォータールー大学提供

｢レーザーを組みたてた人の話やレーザーによって導き出される科学についての人の語りを聞くにつけ、レーザー技術というものは科学の分野に大きな改革をもたらすことができる素晴らしいものなのだな、といつも思っていたものです｣とカナダ・ウォータールー大学のドナ・ストリックランド氏。米Gizmodoのインタビューに答えてくれました。

レーザーって？

電球はさまざまな波長をあらゆる方向へと送り出すものですが、レーザーは違います。（訳注 : レーザーとは Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationの頭文字で、外部からエネルギーを吸収した原子・分子は低いエネルギー状態から高いエネルギー状態・励起状態に移ります。このときにエネルギー差に相当する光を放出します。人工的に誘導されて放射される光を誘導放出と言います）原子は電磁波と相互作用して誘導放出を起こし、光の最小単位である陽子（水素原子核）のビームを作り出します。

通常、原子は光子となって放射線を吸収します。これにより電子を高エネルギー状態にすることができ、原子を低いエネルギー状態に誘導することで、光子を放出させることができるのです。これを｢誘導放出｣と呼んでいます。ある媒質（編注：物理変化を伝える役割をするもの。たとえば、音の媒質は空気です）において十分な量の電子を励起状態にすると、新しい光子は電子を低いエネルギー状態にし、光子を吸収することなく放出します。ある波長、位相、方向が調整して与えられた光子は、同じ特性を持つ光子を放出するために励起状態の電子を誘導します。

最新のレーザーは結晶などの媒質にある、電子を励起するための投入エネルギー源から構成されます。結晶は合わせ鏡のような装置の間に置かれ、そのひとつは部分的にのみ光を反射します。光はその合わせ鏡を跳ね返り、誘導放出を続けます。これにより単一色のビームが鏡の一部を通って装置を励起するのです。

小さな装置で強力なレーザーを得られるように

チャープパルス増幅が発明される前、レーザパルスの強度は限られていました。 強度を増加させようとすると、レーザー媒質の光学特性が変化し、ビームを歪ませたり、媒質を損傷したりする可能性がありました。 ストリックランド氏とムル氏の研究以前には、これがレーザーの開発において大きな問題になっていました。

ストリックランド氏とムル氏の研究はすでに1980年代にレーザーのチャープパルス増幅問題を解決していたようです。そのカギは超短パルスレーザー光。このパルスは回折格子対を跳ね返り、どんどん長くなっていきます。回折格子対はプリズムのように機能し、異なる長さの経路をたどります。エネルギーは経時的に弱まるため、光を拡張することによりその力が弱まります。これにより、レーザー媒質を損傷することなく増幅できるようになるのです。

さらに、増幅されたパルスがコンプレッサーを通過することにより、短いレーザーにパワフルなパルスを持たせることができます。このコンプレッサーでは、さらに短時間のうちに強力なパルスが増幅されます。 こんな感じで卓上に乗るような小さな装置でも強力なレーザーパルスが得られるようになったのです。高出力レーザーパルスツールBELLAの誕生です。

BELLAのレーザー媒質サファイア結晶 Image: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo US

このレーザーパルスは、その辺にある、たとえばレーザーポインタなんかとは、どのように違うのでしょうか？ ｢どこでも買えるレーザーポインタですが、レーザーはほんの1秒発振しただけで、そのレーザーを遮断するものがなければ、あっと言う間に地球から月近くまで到達してしまいます｣とストリックランド氏。チャープパルス増幅で増幅されたレーザーは紙一枚の薄さまで超コンパクトに圧縮できるとのこと。｢圧縮されたレーザーには大量の光子が含まれています。このビームに触ろうものなら大やけどなんかではすまされません。レーザーパルスの中にはサファイアさえ砕くことができるものもあります｣

BELLAはいってみれば、超が二回つくほどの強力なチャープパルス増幅。 チタン原子が添加（ドープ）されたチタンサファイア結晶をレーザー媒質にすると、ビームが増幅され、パルスは時間の経過とともに大きくなります。 もともと小さかったレーザーは、チタンサファイア結晶を活性化し、伸びたパルスが6つの増幅器を通過する際にはそれはそれは大きなエネルギーが加わります。

BELLAは、カメラのストロボのエネルギーの数倍の40ジュール（訳注 : エアガンの威力が約1ジュール、弓矢の威力が約50ジュール）ものエネルギーをわずか40フェムト秒（1フェムト秒は｢1000兆分の1秒｣）しか存続しない赤外線パルスに圧縮します。これはミツバチの1回の羽ばたきの1兆倍の速度です。BELLAのディレクターであるウィム・リーマンズ氏は、このレーザーに当たったらどうなるかについては答えてくれませんでしたが、重度なけがを負うか、運が悪ければ死に至ることは容易に想像できますよね。

応用先は腫瘍やがんの治療など

レーザーは、産業から医療研究に至るまで、多くの分野に応用できます。 ムル氏らは、高出力レーザーにより粒子を高エネルギーに加速するまったく新しい方法を見つけました。BELLAはその研究に使用された装置です。 これらのレーザープラズマ加速器により、物理学粒子実験のスケールダウンが期待されています。これは欧州原子核研究機構（CERN）が作った世界最大の衝突型円形加速器、スイスの｢大型ハドロン衝突型加速器（LHC）｣のような巨大な加速器は今後いらなくなることを意味します。 レーザープラズマ加速器の登場により、これからさらに研究が進めば、粒子により腫瘍やがんの治療で、日常的にレーザーを使用するシーンも現れるのではないかとのこと。ノーベル委員会は、レーザープラズマ加速装置とBELLAの両方を2018年賞のノーベル賞受賞理由としています。

卓上サイズの粒子加速装置

リーマンズ氏はバークレー国立研究所を案内してくれました。廊下には粒子加速装置の歴史を垣間見せてくれる展示が掲げてあります。リーマンズ氏はバターの半分くらいの大きさのブロックを見せてくれました。

BELLAのレーザーパルスは、チューブに蓄えられたプラズマを通過し、プラズマ中の電子を加速して、世界最高エネルギーの電子加速装置のエネルギーに匹敵するパワーで加速します。BELLAのレーザーパルスは、こんな小さな装置を通っているのですね。こんなに小さいのに世界最大の電子加速器と負けずとも劣らないほどのパワーで、プラズマ中の電子を加速させることができるのです。

BELLAの研究では、こんなに小さなブロックの中にあるプラズマで電子を加速させる Image: Ryan F. Mandelbaum/Gizmodo US

こんなに小さくなった卓上型のレーザー粒子加速装置。これによってがんを治療できるようになるまでには、まだまだ考えなくてはならないことが山ほどあるとのこと。また、がん治療のための粒子加速器には、BELLAほどの大きなレーザーは必要ありません。チャープパルス増幅は卓上に乗るくらいの小さなボディでテラワット級のレーザーパルスを可能にしました。 システム全体だってトラックに乗るほどの大きさに。これにより、将来的にはぎょうぎょうしい装置や技術者が必要な病院に行かずして、手軽に携帯レーザー治療でがん治療などができるようになるなど、可能性は無限大です。

BELLAはかつて地球上で最強のレーザーパルスの異名をとっていました。ですが、今ではBELLAをしのぐ装置すら現れています。過去には不可能だったことを可能にしたのです。これにより、これまでは存在しなかったまったく新しい研究分野も生まれました。｢本当に素晴らしいことです｣｢パルスはずっと短くなったのに、エネルギーが大きくなったのですから。これによってすべてがひっくり返るほどの変化が生まれました｣ストリックランド氏とムル氏の研究は、まさに物理学のスケールまでも変えてしまったのですね。