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計量計測データバンク ニュースの窓-96-
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2023年ノーベル物理学賞(その3)


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計量計測データバンク ニュースの窓-96-2023年ノーベル物理学賞(その3)

[2023年ノーベル賞 各賞関連の資料]

2023年ノーベル物理学賞(計量計測データバンク編集部)


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国民のワクチン接種率7割でCOVID-19を抑えられる

[以下は2023年ノーベル物理学賞の解説の文章]2023年10月17日更新
[以下は日本計量新報に既報のノーベル物理学賞の文章]
2023年のノーベル物理学賞をアト(100京分の1)秒というごく短い時間だけ光るレーザーの研究に貢献した米欧の三人に授与すると発表した。レーザーをカメラのフラッシュのように使うことで、物質中を素早く動き回る電子などを観察する「アト秒科学」の道を拓いた。

 授賞は米オハイオ州立大学のピエール・アゴスティーニ名誉教授、独マックス・プランク量子光学研究所のフェレンツ・クラウス教授、スウェーデンのルンド大学のアンヌ・ルイリエ教授。授賞理由は「物質中の電子の挙動を観察するためのアト秒パルスレーザーを作り出す実験手法」。

 アト秒パルスレーザーは次のような領域で求められる。化学反応は物質中の原子や電子の動きがもたらす。原子や分子を構成する電子をやりとりすることによって原子は結びついたり離れたりする。電子の素早い動きをカメラで捉えるにはアト秒級のごく短い間隔でレーザー光を点滅させなければならない。

 1987年にルイリエ氏は特定の気体に赤外レーザーを当てる手法で、アト秒レーザーを作り出すための基礎的な技術を開発した。2001年にアゴスティーニ氏とクラウス氏がそれぞれ数百アト秒の間隔で連続してレーザー光を生成することに成功した。

 化学結合で重要な役割を持つ電子の振る舞いが観察できるようになった。電子材料の開発のほか、物質を識別することで病気の診断などに応用できる可能性がある。ノーベル物理学賞の選考委員会は2023年10月3日の記者会見で、「極めて短時間の尺度で電子の世界を見るための新たな扉が開かれた」と評した。

 今回の受賞がきっかけになってナノテクノロジーの次のアトテクノロジーといった新しい分野が拓かれることが期待される。

 アト秒科学の日本の研究は東京大学など各方面で行われている。このうち理化学研究所は2022年に世界最高出力のアト秒レーザー装置を開発した。従来の100倍を超える出力を達成し物質をとおりぬける力が強くなり、観察対象を気体のほかに液体や固体に広げている。

 注目される関連分野では、たとえば瞬間的に点滅するレーザーはこれまでもノーベル賞の授賞対象となり、1980年代後半にはフェムト(フェムトは1000兆分の1)秒だけ光らせる技術が開発され、この研究功績で1999年に米国の研究者がノーベル化学賞を受賞している。

(566) ノーベル物理学賞2023を解説します【アト秒物理】 - YouTube
[以下は2023年ノーベル物理学賞の解説の文章]

授賞理由は「物質中の電子の挙動を観察するためのアト秒パルスレーザーを作り出す実験手法」。

授賞者は米オハイオ州立大学のピエール・アゴスティーニ名誉教授、独マックス・プランク量子光学研究所のフェレンツ・クラウス教授、スウェーデンのルンド大学のアンヌ・ルイリエ教授の三氏。


アト秒とは、アト(100京分の1)秒のこと。1秒の10のマイナス18乗の時間であり、1 アト秒は 0.000 000 000 000 000 001 秒となる。


アト(atto, 記号:a)は国際単位系 (SI) におけるSI接頭語の一つ。接頭語のミリ(m)は10のマイナス3乗、マイクロ(μ)は10のマイナス4乗、ナノ(n)は10のマイナス9乗、ピコ(p)は10のマイナス12乗、フェムト(f)は10のマイナス15乗、
ゼプト(z)は10のマイナス21乗、以下、ヨクト (y)は10のマイナス24乗、ロント (r)は10のマイナス27乗、クエクト (q)はマイナス30乗とつづく。

で、以下のように、基礎となる単位の 10−18 倍(= 0.000 000 000 000 000 001 倍、百京分の一)の量であることを示す。アットとも。
1 アト秒 = 0.000 000 000 000 000 001 秒
1 アトメートル = 0.000 000 000 000 000 001 メートル
1964年に導入されたもので、デンマーク語で「18」を意味する atten に由来する。

10−18 倍(= 0.000 000 000 000 000 001 倍、百京分の一)の量であることを示す。アットとも。

1 アト秒 = 0.000 000 000 000 000 001 秒

アト(atto, 記号:a)は国際単位系 (SI) におけるSI接頭語の一つで、以下のように、基礎となる単位の 10−18 倍(= 0.000 000 000 000 000 001 倍、百京分の一)の量であることを示す。アットとも。

1 アト秒 = 0.000 000 000 000 000 001 秒
1 アトメートル = 0.000 000 000 000 000 001 メートル
1964年に導入されたもので、デンマーク語で「18」を意味する atten に由来する。

アト秒
これは何かというと、これは、SI単位系の1つでアトは。

SI何だったかて言と例えば、

一番、番身近な例で言うと、
長さの単位はメートルです。単位記号はm。
1ミリメートル(1mm)は10のマイナス3乗で、これが1mm。

っていうのは10の-3mのこと。

小さい方に行くと、
マイクロが10の-6乗なのが10のマナの9乗、というわけ。

名前を聞いたことある人は多いと思うんですが。

もっと小さいものになると、なかなかね、日常生活では出会ないものになやっていきます。

ピコが10の-12乗、と、まピコって名前可愛いですね。

ピコピコハンマーって、可愛いですもんね。

別に、ピコピコハンマー、小さいわけじゃないんですけど、え、ピコが10の-12乗と。
フェムトが10の-15乗そして後が10の-18乗というわけで。


アト(atto, 記号:a)は国際単位系 (SI) におけるSI接頭語の一つで、以下のように、基礎となる単位の 10−18 倍(= 0.000 000 000 000 000 001 倍、百京分の一)の量であることを示す。アットとも。
1 アト秒 = 0.000 000 000 000 000 001 秒
1 アトメートル = 0.000 000 000 000 000 001 メートル。

1964年に導入されたもので、デンマーク語で「18」を意味する atten に由来する。

今回の、受賞内容に、アト秒ってのは、つまり、10の-18乗秒くらいの短い時間、の話だ、というわけですね。

ちなみに、イメージが湧かないと思うので、1アト秒の、すごさを伝えたいんですけど、1アト秒ってのは、光ですら0.3nmしか進めない、ぐらい短い時間のことです。なかなかびっくりですよね。

あの、1秒間で地球7周半に相当する距離を、え、動くような光でさえですね、1アト秒では0.33nmしか動けない、というわけで、めちゃくちゃ短い時間ですね。

次に、この、
パルス光の、意味を説明していきましょう。え、
パルス光ってのは、簡単に言うと、一瞬だけ光る光のこと、です。

なので、今、図にしてみましたが、これ光を表す振動です。え、これが、え、光の、ま、振動の振幅を、書いてるんですけど。つまり、
光が強度を持つ時間的な幅、がすごく、ね、限られた、この部分にあるっていうのが、パルス光ってやつで、
アト秒パルス光、ってのは、この、時間的な幅がアト秒ぐらい、のオーダーのパルス光のことです。なので、アトベパルス光、ってやつが、なんでこんな、
一瞬しか光らない光を、作りたいか、というのが、今回すごく大事なんです。
が、それはですね、カメラのシャッターを、イメージする、と分かります。え。

カメラのシャッターを、長い時間開いて、おくと、早く動くものを、うまくとれないんです、よね。

例えば、新幹線を、シャッタースピードが遅いもので、撮ろうとしたら、物が動いちゃってるんで、残像のようなものが残ってしまう、と。だから、
シャッタースピードを上げる。一瞬しか開かない、ようにすると、しっかりとその新幹線が止まったような写真が撮れます、よね。

なので、
高速のシャッターのカメラがあれば、早く動くものを捉えることができる、
わけです、え。

ちなみ、にこれは昔の話なんですが、
走ってる馬の4本の足が同時に離れることがあるか、ってのが、え、話題になったことがあるそうなんです、ね。

それを、え、解決するために、高速のシャッター、ってのが、たくさん頑張って、開発されていて、そして結果を伝えると、え、
馬の4本の足は走ってる時に同時に離れることがある、ってわかったんですね。

その、
超高速のシャッターの写真を小間送りにしたら、本当に、4本だ足が離れる瞬間があった。からと、ちなみに、その、証拠を見るまでは、多くの人は4本の足が同時に離れることはない、と考えてたそうです。

確かに肉眼で見ると、そう見えるんですね。ただ、超高速のシャッターを小間送りしたら、そういうことまで、分かったというわけなんです。けどま、これは、雑談ま余談ですね。

大事なのは、
高速のシャッターさえあれば、早く動くものの運動が捉えられる、
いうわけです。

ではこんな

アト秒、
ってめちゃくちゃ、短い時間幅の運動、なんて何があるんだってことに、なると思う、んですけども。

それが、ですね、例えば、
分子の動き、
っていうの、は、10のマイナ15乗秒ぐらい、のオーダー、
で起こる現象です。な、のでこれは、
フェムト秒、
って言ってるんですね。


フェムト、このオーダーで、いろんなものの、運動とか科学反応を、追っていこうと、いうのが、
フェムト秒科学、
って言うんですけど。

実は、これの内容は、
1999年にノーベル化学省を受賞してます。
はい、1999年にフェムト秒科学というのがノーベル科学賞の受賞内容になっている、ことなので。

今回話す、
アト秒の科学とか、アト秒の物理学の世界、
っていうのは、ま言ったらこれよりも、1歩踏み込んだ、ような、運動を見る、世界に、なります。

ではそんな、運動、何があるか、というとこれがあるんですね。今ここに、
原子と原子があって、その間を電子が動く、
ような図を書いたんですが、
電子の運動、ってのは、めちゃくちゃ早いです。

でどれぐらい早かと言うと、この、
10のマイナスの18乗秒ぐらい、のオーダーで起こる現象、
だと、つまりこれが、
アト秒で起る、って言ってるんです。

今回大事なのが、これです。つまり、今の話をまとめると、
超高速のシャッターを実現すれば、
電子のダイナミクス
動きまで見れる、
んだという話ですね。

その、
電子の動きを理解する、ってのはもういったら、化学反応の究極の理解、物質の究極の理解、に、もう近いもの、です、よね。
なので、そういったことができる、ま、夢のある話なわけです。

はい、ま、だから、あの、今回の話をですねえ、踏まえたちょっと、ジョークを言いたいんですけども。

天空の仏陀が3分間待ってやる、じゃなくて、3アト秒待ってやる、とかだったらねえ、シータとパズーはね、パルスをね、唱えるえ余裕なかったでしょうね。
はいというわけでねえ。

混乱さしたと思うので、全部忘れてもらって。

では、次にですねえ、この実際に、
受賞した3名が何をしてきたか、
について話をしていきましょう。

では、
電子の動きが見れるレベルの、一瞬だけ光る光り、
というね、夢の技術がどのように実現されていったか、
を話していきましょう。

え、まず、
1997年に、ルイエさんのグループが強高度の赤外レーザー光を貴ガスに透過させると、極端紫外領域の光がでてくる、つまり波長がすごく短い光が出てくることを発見しました。

より具体的に言うと、この、
周波数がオメガ(ω)の光を貴ガスに当てて、透過させると、例えば、9オメガ(ω)とか、11オメガ(ω)とか、13オメガ(ω)、
っていう、この、周波数の大きい整数倍の光が出てくる、ことを、発見した、んですね。

この、レーザーの分野では、よく、え、
レーザー光を当てると、え、そっから、出てくる光が、元々の周波数の整数倍の光が出る、というのがある、んですけど、こういうのを、高調波と言ったりします。
で、特に、この、整数倍の数字が、大きいやつを高次高調波、て言うんですが、
ルイエさんがやったのは、
赤外レーザー光、つまり、強高度の赤外レーザー光を貴ガスに当てると、大きい奇数の整数倍、つまり9オメガ(ω)とか、11オメガ(ω)とか、13オメガ(ω)、っていうの光が出てくる、ことを発見しました。

高次高調波、ですね、
最初はどうしてこんなことが、え、起こるか分かんなかったんですけども、え、徐々に分かってきたことを、
結論、だけ言うと、パルス幅もすごく短い、ことが分かってきました。

パルス幅、ってのは、この幅のことですね時間幅のこと。高次高調波で非常に短いパルス幅をも持ってることが分かった。

ルイエさんは、この後もこの現象について、たくさん調べていく、んですけども。こういった現象がですね、
アト秒のパルス光を作る基礎、となっていきます。ブレイクスルーとなる、きっかけとなったのです。

その後、分かった、理論的なお話、をしましょう。
どうして、こんなことが、起こるか、をうまく説明する、
半古典的な、すごくイメージしやすい、モデル、があるんで、それを紹介します。

それを考えたのが、
ポール・ブルース・コーカム((Paul Bruce Corkum, 1943年10月30日 - )は、カナダの物理学者(専門はレーザー科学))、という人なんです。

理論を、ね、考えた人ですが、
もし今回の、ノーベル賞の受賞内容が、実験手法に限られて、いなくて、
アト秒の物理学とかだったら、理論も含めて4名までの受賞がオッケー、だったら、
間違いなくこの、ポール・ブルース・コーカムさんも入っていた、と言われています。
今回はね、実験に、絞って3名になってますが、すごい、重要な、え、働きをした人で、どんなモデルかと言うと、

今これがですね、
赤外レーザー光、だと思ってください。適当な、ね、え、波長で書きましたが、こういう風に、振動する、これ電場だけを表してると思ってください。光、って電場の振動です、よね。今、光の電場を、表してるこれの、光電場って言いますがそれが書いてあると思ってください。

備考
電磁波とは、空間の「電場 ( electric field ) E 」 と「磁場 ( magnetic field ) H 」が互いに振動しながら空間を伝播していく物理現象です。
「電場」とは、ある空間に「電荷」が存在すると、その電荷に力を及ぼす空間の性質のことを言います。その「電荷」自身も周囲に電場を形成しています。電荷には “ + ” と “ - ” の 2 種類ありますが、電場を介して同極性同士 ( “ + ” と “ + ” 、または “ - ” と “ - ” ) は反発し合い、異極性 ( “ + ” と “ - ” ) は引き合います。冬場によく経験する静電気は、絶縁性の高い素材において電荷が発生して蓄積され、他の絶縁性物体に近づくと、異極性の電荷を引き寄せ、場合によってはその間で放電が起こる現象です。この場合、固定された状態下では電荷の周りの電場の強さは時間的に変化しないので「静」電気と呼ばれます。
また、「磁場」とは、磁極(磁石の N 極と S 極)に対して力を及ぼす空間の性質のことを言います。磁石は「磁場」を介して、同極性同士 ( N 極と N 極、または S 極と S 極)は反発し合い、異極性( N 極と S 極)の場合には引き合います。小学生の頃、下敷きの上に砂鉄をばら撒き、下敷きの下から磁石を近づけると、磁石の N 極から S 極に向かってきれいな曲線状に砂鉄が並ぶ実験をしたことがあると思います。これは磁石の N 極、 S 極の周囲に形成された磁場により、砂鉄の磁性(磁区といいます)が磁力線に沿って整列されることによって観察される現象です。この場合も、固定された状態下では、磁場の強さは時間的に変化しないので「静」磁気と呼ばれます。
電場と磁場とは互いに密接な関係があります。磁場が変化すると電荷に力が働いて電荷を移動させ(電流が流れる)、電流が流れると磁場に変化を及ぼす、という相互作用が起こります(電磁誘導)。このような相互作用により空間的なエネルギーの “ 周期的な振動 ” 状態が作り出され、空間を電磁的エネルギーが横波となって伝播されていくことから、これを「電磁波」と呼ぶ訳です。
電磁波の電場 E と 磁場 H の振動方向はお互いに直角の関係( x 軸方向と y 軸方向)であり、また電磁波の進行方向もこれと直角( z 軸方向)になっています。


そして、その下に、書いたのが、え、普通、原子って、原子核に電子がとらわれてます、よね。原子核の空論力の、え、作るポテンシャルによって、電子が閉じ込められていると、今こことかにあるような、え、電子のイメージを書いてみました。

クーロンポテンシャル、に閉じ込められる電子で、今え、
大きい強度の、強い強度の電場がやってくるので、クロポテンシャルと足し合わされてで、すね、これが、
こっち向きに傾くことがあります。

つまり、
クーロンポテンシャルと電場によるポテンシャルが足算された、やつが、電子が感じるポテンシャルなんです。
がこういう風に傾く時があるとで、この、電子が、まだ、ね、この右側に壁を、感じていても、量子力学にはトンネル効果ってやつがあります、ね。

この、ポテンシャルの壁を、すり抜けることができると、可能であると、え、こういう風に、ポテンシャルの外に出ていく。そうすると、原子から電子が離れていった、んで、これイオン化する、んですね。トンネルイオン化といいます。

備考
クーロンポテンシャルまたは、クーロンエネルギーとは、電気的な力によって生じる位置エネルギーのことである。
力学で位置エネルギーと言えば、重力mgに逆らって物体を持ち上げた高さhを使ってm
ghと表される。


トンネル効果を使ってイオン化した、これトンネルイオン化、って言います。はいそして外に出た電子なんですが、え、これすぐにですね、これ電場振動してるので逆側にえポテンシャルが傾くこともある、んですね。

なので、今、これ、この傾きを電子が感じて、この坂を下っていきます下っていく。はい、つまり、ここで、運動エネルギーを得るわけです、ね。

え、
電子が余分な運動エネルギーを得ると、で、また元のところに原子のとこに戻って、いって、また、原子核の作るのポテンシャルに、ま、束縛される、と、
また、スポンと落ちる。つまり、ま、原子の方に戻っていく、これを再衝突って言ったりします。

衝突、平仮名で書きましたが、
電子が一旦離れて戻ると、その時に余分に持っていた運動エネルギーが、光となって放置される、
ことがある。

と、その、放出された場合に出てくる光が、こういうものだと、考えられる、というわけですね。これが、3ステップモデル、っていいます。

さっき、半古典的なモデル、って言ったんですが、もちろん、正確に考えたかったら、量子力学を、使って理解する、必要があるんです。
が、まこれのねえ、後に、分かったことなんですが、
量子力学的なしっかりとした、モデルを考えてみたらですね、これはます、ごくねそのモデルを「うまく禁止した」半古典的なモデルであることが分かりました。


物理学分野における半古典論。
物理学では、半古典とは、システムのある部分が量子力学的に記述され、他の部分が古典的に扱われる理論を指します。たとえば、外部フィールドは定数であるか、変更する場合は古典的に記述されます。一般に、プランク定数のべき乗の発展を組み込んでおり、その結果、累乗0の古典物理学と、(-1)の累乗に対する最初の非自明な近似が得られます。この場合、量子力学系と関連する半古典的および古典的近似の間には、物理光学から幾何光学への移行に外観が似ているため、明確な関連性があります。
実体
半古典近似の例には、次のようなものがあります。
WKB近似:古典的外部電磁場中の電子。
半古典重力:古典的曲線重力背景内の場の量子論(一般相対性理論を参照)。
量子カオス;古典カオス系の量子化
大磁場の影響下での物質や天体の磁気特性(例えば、デ・ハース・ヴァン・アルフェン効果を参照))
場の量子論では、プランク定数の累乗に対応する、せいぜい1つの閉ループを持つファインマン図(例えば、1ループのファインマン図を参照)のみが考慮される。
関連項目
ボーアモデル
対応原理
古典的極限
Eikonal 近似
アインシュタイン・ブリルアン・ケラー法
古い量子論


ま、つまりどういうことかって言うと、すごくイメージのしやす、いま資に飛んだ、全然決して本質から離れていない、え色々ねインスピレーションを与えるいいモデルだったってわけですね。
これが3ステップモデル、
というやつですえこれはですね。

今ここでは、詳しくは説明しないですが、こういうモデルを使うと実際にこういう奇数のね極超高調波調波が出ることとかそしてですね。この
パルス幅がどうして短いかを説明することができました。

それを、ここでちょっとやってみましょう。
今これが、800nm(ナノメートル)程度、波長が800nm程度の赤外レーザー光だとしましょう、

とまこれぐらいをねえ、
波長持ってるやつが赤外レザー光、っていうのでそれぐらいだとしましょう。
なので今これ、時間横軸が時間、のつもりで書いてるので時間で言うと、じゃあどれぐらいかって言ったら、え、この
1周期、ですねこれ、が800nmの波長の場合は2.66fs(2.66フェムト秒)程度と、はい、なので、時間で言った、これめちゃくちゃ、短い周期を持ってる、んですね。

でこの、電子の再衝突、トンネル化して運動エネルギーえて最小突、するっていう、この3ステップ再衝突は、この時間の幅の中で起こる瞬の現象なので、これよりも少なくともめっちゃ、短いスケールで起こる現象、なんですね。
なので結果的にこういった非常に短いパルスの光が出てくる、というわけです。

はい、これが、ま、
3ステップモデルによって、ま、え、よく、理解ができた、という話ですね。
この辺の話が分かっていただけたでしょうか。

え、ではですね、実際にこのルイエさん、え、以降のですね、
クラウスさんアゴスティーニさんが何をやってきたか、
って話をしたいんですが、
今から話す話だけがですねもちろんクラウスさんとアゴスティーニさんがやってきた実績じゃないんですけども、え、
第代表的な、え、ものを、ですね、お話ししていきたいと思います、え。

2001年に、まずこの、アゴスティーニさんが、ですね、250アト秒、
ってめちゃくちゃ、短いパルス幅の、え、光をですね、作り出すことに成功、します。でこに、
連続、って書いてあるんですけど、
連続パルス光の生成に成功、するんですね。

連続パルス光、って何かって言うと、今これ、電場が振動してるので、
ま、光が、ね、振動してる、ので電場も振動してます、が、これを考えたらま今普通に考えて欲しいんですけど、
1回、この、振動して、えええっと、再衝突が起こって出てくる。
出てくる出てくるっていう風に、
連続して、連続してパルス光、っての出てくるんですね。

今から話す、
2001年のクラウスさんの方がですね、また別の、え方向性で研究していて
650アト秒、っていう250アト秒に比べたら少し長い時間にはなるんだけども、
単一のパルス光を作り出すことに成功、します。

まつまりここでね、イメージしてるのは、連続のパルスコ出てくる。出てくる出てくるっていうパルス光なんですが、え。
実験でですね、使いやすい、シチュエーションの、単一のパルス光、ってのを、クラスさんは、え同じ、2001年に、ですね、実際に作り出すことに成功している、
というわけです。

はい、ま、ちなみにですね、今これはもう、
2017年では47アト秒のパルスを作ること、とかに、成功していて、
どん・どん・どん・どん、ですねえ短い時間スケールになってきています。

というわけで、この、え、あの、話がですね、
アト秒パルス光を生成する実験書法の開発の内容、なんですが、実際にこういった、え、

アト秒パルス光が、どういったものに応用されていくか、え応用されているについて話をしていきたいと思います。

まず、ですね、この、
クラウスさんが、え、最近、え、やってる動きとしては、え、医療への応用を考えているそうですね。

実際にこの辺りは、自分は詳しくないんですけど、
血液をこういったレーザー技術を使うことによって、血液に対してレーザー技術を使うことによって、病気の早期発見とかに、え、繋がったりするらしいです。
あとはですね、物理の基礎的な問題になってしまうんですが、え、
アト秒パルス光を使うことによって、なんとですね。

波動関数を見ることができる、ようになってきてるらしいんですね。
この波動関数を見るってのが、すごい話で、波動関数も、ちろん、ま、電子の状態を表す、ね、え、状態を記述する、ものなんですけども、
その確率分布、つまり、波動関数の絶対値の2乗を見るのではなくて、その
複素数の形のまま波動関数を見る、っていう、
つまり、位相付きの波動関数を、見ることができるようになってきてる、
らしいんですよね。

備考「複素数の波」
一般に思われているほど虚数や複素数は不可解なものではありません。また、「複素数の波」という難解な表現は「位相の回転が波のように伝わる」という程度に考えても良いように思います。

備考 複素数
数学における複素数(ふくそすう、(英: complex number)とは、2つの実数 a, b と虚数単位 i = √−1 を用いてz = a + biと表すことのできる数のことである。

本当にね、少し、量子学を、勉強したことある人にとって、夢のような技術、だと思うんですけども。そういった、え、と、ころにまでね、物理は、今、到達しているようなんですね。なので、是非ですねえ、今後も、この分野の動きを楽しみに、追っていきたいと思います。というわけで、え。

来年のノーベル物理学賞も是非ね楽しみにえおっていきましょうではまた別の授業動画でお会いしましょう。さよなら。

2023年ノーベル物理学賞:物質中の電子の動きを解析する「アト秒の科学」を切り開いた3氏に - 日経サイエンス (nikkei-science.com)
2023年のノーベル物理学賞は「物質中の電子ダイナミクスを研究するためのアト秒パルス光の生成に関する実験的手法」に対して,米オハイオ州立大学のピエール・アゴスティーニ(Pierre Agostini)名誉教授,マックス・プランク量子光学研究所のフェレンツ・クラウス(Ferenc Krausz)教授,スウェーデン・ルンド大学のアンヌ・ルイリエ(Anne L’Huillier)教授の3氏に授与される。
電子は文字通り目にもとまらぬスピードで物質中を移動する。その動きを撮影するカメラがあれば,様々な物理現象の解明や材料開発に役立つ。しかしそのためには,ごく短い時間だけ光る「フラッシュ」が必要だ。フラッシュが光る時間が長いと,その間に電子が動き回ってブレてしまう。
まず,1980年代の後半に原子のレベルで化学反応を捉える手法が登場した。フェムト(10-15,つまり1000兆分の1)秒だけ光るレーザーによって,分子中の原子が結合したり,それが切れたりする様子が観測できるようになった。この業績が評価されてアハメド・ズウェイル(Ahmed Hassan Zewail)氏が1999年にノーベル化学賞を受賞した。
だが,電子の動きを捉えるにはフェムト秒でもまだ長すぎた。古典的な描像では,水素原子の電子が原子核の周りを一周するのに,たった150アト(10-18,つまり100京分の1)秒しかかからない。
1987年,ルイリエ氏は強力な赤外光を希ガスに照射すると,もとの波長の何倍も短い波長をもつ光パルスが連続して発生することを発見した。これを「高次高調波」という。パルスの持続時間(パルス幅)が極めて短いことが期待されたが,このときはまだ波長が極めて短いことしかわからなかった。
原子中に閉じ込められている電子は,レーザ光を照射して一定のエネルギーを得るとトンネル効果によって外に飛び出す。だがレーザー光の電場がフェムト秒周期でシーソーのように振動しているため,いったん外に出ようとした電子が逆向きの電場によって加速され,原子に再衝突する。このときにアト秒のパルス幅を持つ高次高調波が発生する。
2001年に,クラウス氏らはこの高次高調波のパルス幅がアト秒レベルであることを実験で確かめた。具体的には,波長が極めて短い高次高調波のパルスと,波長が比較的長い赤外光を希ガスなどに照射した。高次高調波を照射している間,希ガスから電子が飛び出すが,その際の電子のエネルギーは,赤外光と高次高調波がどのタイミングで重なっているかによって変化する。電子のエネルギーを測定することで,赤外光の振動を物差しにして高次高調波のパルス幅を突き止めた。
アゴスティーニ氏は2001年,繰り返し発生する光パルスが250アト秒のごく短いパルス幅を持つことを実証。ほぼ同時にクラウス氏は高次高調波を発生させる強力な赤外光のパルス幅をきわめて短くすることで,650アト秒の単一の光パルスを取り出すことに成功した。
当初は電子の動きを解析できるのは,希ガスなどの気体分子に限られていた。最近はレーザーの出力などが向上して,液体や固体の試料にも適用できるようになってきた。今後は半導体材料などへの応用が期待されている。材料の性質を決める電子の動きが詳しくわかれば,改良の手がかりが得られる。
この分野には日本人研究者も多く関わっている。技術の黎明期ともいえる2000年代,高次高調波が発生する理論モデルを提唱したポール・コーカム(Paul Corkum)氏のもとで,早稲田大学の新倉弘倫教授や東京大学の板谷治郎准教授の2人が研究していた。2022年には理化学研究所の研究チームが世界で最高出力のアト秒レーザーを開発した。アト秒レーザーは広大な探索空間の中から有望な新材料への道を照らす光になりそうだ。
(編集部・遠藤智之)
▼詳しくは日経サイエンス2023年12月号(10月25日発売予定)でもご紹介いたします。
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第18族元素(だいじゅうはちぞくげんそ)とは、元素周期表における第18族に属する元素、すなわちヘリウム・ネオン・アルゴン・クリプトン・キセノン・ラドン・オガネソンを指す族名である。なお、これらのうちで安定した核種を持つのは、第1周期元素のヘリウムから第5周期元素のキセノンまでであり、ラドンとオガネソンは放射性元素である[1]。貴ガス(きガス、英: noble gas)と呼ばれる。英語表記の変更があった2005年までは希ガス・稀ガス(きガス、英: rare gas)と呼ばれていた。

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数学の言葉で世界を見たら 父から娘に贈る数学 | 株式会社 幻冬舎 (gentosha.co.jp)
数学の言葉で世界を見たら 父から娘に贈る数学 大栗博司著(本体1,800円+税10%)
考える力・創造する力がグングン伸びる。人生がもっとワクワクしてくる。基礎の基礎から役立つ話、驚く話、美しい話まで。楽しみながら学ぶ、数と論理の世界。数学は、英語や日本語では表すことができないくらい、シンプルに正確にそして本質的に、物事を表現するために作られた言葉です。だから数学がわかれば、これまで見えなかったことが見えるようになり、言えなかったことが言えるようになり、考えたこともなかったことが考えられるようになります。本書では、世界的に有名な物理学者である著者が、高校生になる娘に語りかけるかたちをとりながら、驚きと感動に満ちた数学の世界を道案内します。イラスト多数。
第1話 不確実な情報から判断する
第2話 基本原理に立ち戻ってみる
第3話 大きな数だって怖くない
第4話 素数はふしぎ
第5話 無限世界と不完全性定理
第6話 宇宙のかたちを測る
第7話 微積は積分から
第8話 本当にあった「空想の数」
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数学は言葉 – CoSTEP – Communication in Science and Technology Education and Research Program, Hokkaido University (hokudai.ac.jp)



計量史をさぐる会2023大阪 クボタ久宝寺事業センターで10月20日に開く

国際温度目盛(国際温度標準)の変遷-1968年国際温度目盛(ITS-68)の採用-小川實吉氏

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シンボル操作(symbol manipulation)
社会学用語。それ自体は客観的であったり、また多義的に理解されているような物や言語や行動様式をシンボル (象徴) として使い、特定の意味内容をこめて多くの人々のそれへの同調ないし反動形成を促し、一定の方向に行動させること。シンボル操作の典型的な技術の一つが、人々の態度・行為・価値観をあらかじめ意図された方向へ誘導するための組織的コミュニケーション活動といわれる政治宣伝である。マス・メディアの驚異的な発達と宣伝技術の高度化により、現代社会ではシンボル操作の余地は拡大した。


私の自転車物語 | 「計量計測データバンク」とその情報 - 楽天ブログ (rakuten.co.jp)

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