2023年ノーベル物理学賞とその業績（計量計測データバンク編集部）
イラスト画はノーベル物理学賞の受賞者。左からピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウス、アンヌ・ルイリエの三氏（ノーベル財団提供）
葛飾北斎の冨嶽三十六景「神奈川沖浪裏」（この波は高速ストロボ撮影によって写しとることができる）
葛飾北斎は落ちた鳥を拾って写生をした。鳥の身体のつくりを写しとって自分が描く絵の元にした。葛飾北斎の冨嶽三十六景「神奈川沖浪裏」はヒトの眼には写らない波が砕け散る様を描いている。この波の様子はカメラではストロボ照射による高速シャッターによって写しとることができる。アト秒パルス光は原子（分子）のなかで活動する電子の動きを写しとることができる速さをもつ。
葛飾北斎の怒涛図 男浪図。（この波は高速ストロボ撮影によって写しとることができる）
荒々しく力強い大浪図 ぐるりと内に巻き込み白い飛沫を立てる荒々しい青い波。葛飾北斎が1840年代半ば頃、信州の小布施を訪れたとき、上町（かんまち）祭り屋台の天井画に描いた荒々しく力強い「男波図」。「怒涛図」の一枚として、繊細華美な「女波図」と共に制作された。「冨嶽三十六景 神奈川沖波裏」の大波に通ずる波の描き方である。
男波（おなみ）、女波（めなみ）について。
岐阜県の郡上八幡の職漁師は男波（おなみ）、女波（めなみ）という言葉を使う。菱田與一は流れが底から水面に上昇している状態を男波、水面から底に向かう流れを女波と称していた。恩田俊雄は流心の三角波が立っている早い流れを男波、男波の両脇のやや緩やかな流れを女波と称する。二人は郡上八幡伝説のアマゴ釣りの名人。恩田俊雄は釣り人が釣り残している男波を選んで釣果をだした。男波には大魚が棲む（いつく）。流れが速い男波の底まで餌を流すのは難しい。菱田與一は垂直方向の流れ、恩田俊雄は水平方向の流れに対して男波、女波を当てている。アマゴが餌を喰う流れを喰い波と言い、この流れに餌を流すことで好釣果が得られる。アマゴの給餌点はアユの友釣りにおけるオトリを入れる場所に通じる。
（タイトル）
2023年ノーベル物理学賞とその業績（計量計測データバンク編集部）
（本文）
ノーベル物理学賞はアト秒パルスレーザー開発に貢献した三氏、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。
物質中を動き回る電子を観察する「アト秒科学」の道が拓かれる
2023年のノーベル物理学賞はアト（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関係して、その実験手法の開発に貢献した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・ルイリエ教授の三人に贈られた。選考の基準が実験手法に限定されたために、この方面の理論的な基礎を築いたカナダの物理学者（専門はレーザー科学）ポール・ブルース・コーカム（（Paul Bruce Corkum, 1943年10月30日 - ）は選考から外れた。これらの人々の功績によって、極小の時間だけ光るレーザーをカメラのフラッシュのように使って物質中を動き回る電子を観察する「アト秒科学」の道が拓かれた。
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年にアンヌ・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。
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。
授賞式は2023年12月10日にストックホルム行われ、。賞金の1100万スウェーデンクローナ（約１億5000万円）は三人に分割して渡される。
アト秒科学とSI接頭語のアト そしてアト秒の世界を知る
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。
アトは基礎となる単位の 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。
１秒で地球7周半にする光は１アト秒では0.33nm（ナノメートル）しか動けない
アト秒科学におけるアト秒の大きさは、10の-18乗秒。１アト秒で光が進む距離は0.3nm（ナノメートル）。１秒に地球7周半(30万㎞)する速さの光は１アト秒では0.33nmしか動けない。１アト秒の大きさとはこのようなことだ。
原子の化学反応を捉えるフェトム科学は1980年代の後半に登場
原子あるいは分子のレベルで化学反応を捉える手法は1980年代の後半に登場した。フェムト（10-15、1000兆分の1）秒だけ光るレーザーが開発され分子中の原子の結合や分離のようすを見ることができるようになった。アハメド・ズウェイル（Ahmed Hassan Zewail）氏は、この業績によって1999年にノーベル化学賞を受賞している。
電子の動きをとらえるアト秒科学への挑戦
電子の動きをとらえるための領域は、フェムト（10-15，1000兆分の1）秒の先にあるアト秒になる。水素原子の電子が原子核の周りを一周する時間は150アト（10-18、100京分の1）秒である。アト秒科学への挑戦の意味はここにある。電子の動きを捉えるほどの短い波長の一瞬だけ光る光りを発生させる技術の獲得によって、人類は次の次元の領域に進んでいく。
アンヌ・ルイリエ氏による高次高調波発生の実験成果
アンヌ・ルイリエ氏は、強力な赤外光を貴ガスに照射すると、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1987年に発見した。それまでわかっていたことは高次高調波のパルス幅が短かいということだけであった。
原子中に閉じ込められている電子は、照射されたレーザ光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。レーザー光の電場はフェムト秒の周期でシーソーのように振動しているので、外に出ようとした電子が逆向きの電場によって引き戻されて原子に再衝突すると、アト秒のパルス幅を持つ高次高調波が発生する。
レーザー光が当たると元々の周波数の整数倍の光が飛び出す。これが高調波。この整数倍の数字が大きなものが高次高調波。アンヌ・ルイリエ氏が発見したのは、強高度の赤外レーザー光を貴ガスに当てると、それより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）光が出てくること。 ωとは角速度のこと。角速度とは１秒あたりに進む角度。物体が１秒あたりに進む角度が角速度。角速度は円運動における物理量。角速度を表す記号はギリシャ文字で ω(オメガ)。進んだ角度を時間ｔで割ることで角速度が求められる。角速度の単位はrad/s。角速度：ω。
高次高調波のパルス幅が短い。パルス幅とは時間幅のこと。高次高調波によって以前よりも短いパルス幅の光をつくりだすことができる。この高次高調波を得ることが、アト秒のパルス光を作る基礎となった。アンヌ・ルイリエ氏の仕事がその後の発展のための大きなきっかけをつくった。
レーザー科学者ポール・ブルース・コーカム氏の功績
高次高調波の理論を考えたのがカナダのレーザー科学を専門とする物理学者のポール・ブルース・コーカム氏。２０２３年のノーベル賞が実験手法に限定されていないで、アト秒の物理学という枠組みで、さらに４名まで選ぶことができるとしたら、ポール・ブルース・コーカム氏も受賞したとされる。
アト秒物理学によってもたらされると想定される科学と技術の領域として次のことがあげられる。
原子物理学関連における電子相関効果、光発光遅延、イオン化トンネル。分子物理学と分子化学:分子励起状態(電荷移動過程など)、光誘起光フラグメンテーション、および光誘起電子移動過程における電子運動の役割。固体物理学:先端2次元物質の励起子ダイナミクス、固体のペタヘルツ電荷キャリア運動、強磁性体のスピンダイナミクスの研究。
アト秒科学によって、物質中の電子運動のリアルタイム制御を達成するという長期的な課題とともに、原子、分子、固体中の電子の量子ダイナミクスに関する高度な洞察が現実的となる。広帯域固体チタンドープサファイアベース(Ti:Sa)レーザーの出現(1986年)、チャープパルス増幅(CPA)(1988年)、高エネルギーパルスのスペクトルブロードニング(例:自己位相変調によるガス充填中空コアファイバー)(1996年)、ミラー分散制御技術(チャープミラー)(1994年)、およびキャリアエンベロープオフセット安定化 (2000) は、孤立アト秒光パルス(希ガス中の高調波発生の非線形過程によって生成される) の生成を可能にている。2023年現在実現されている最短の光パルス43アト秒。
３ステップモデルとポール・ブルース・コーカム氏
ポール・ブルース・コーカム氏が考えた理論モデルは次のようなもの。
原子は原子核に電子がとらわれている。原子核のクーロンポテンシャルによって、電子が閉じ込められているところへ強い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、反対側に傾く。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し算されて傾く。電子が壁を感じていても、量子力学におけるトンネル効果によって、ポテンシャルの壁をすり抜けることができる。ポテンシャルの外に出ていく原子から電子が離れてイオン化される。この現象がトンネルイオン化。
クーロンポテンシャル（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。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mghと表される。
トンネル効果を使ってイオン化することがトンネルイオン化。これに伴って電子が外に出るのだが、電場振動してるので逆側にポテンシャルが傾く。この傾きによって電子は逆側に坂を下る。電子はここで運動エネルギーを獲得する。電子が余分な運動エネルギーを得ると、元のところ、つまり原子のとこに戻って、また原子核が作るのポテンシャルに束縛される。つまり原子の方に運動して再衝突する。原子から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出される。これが電子のトンネルイオン化と３ステップモデルである。
３ステップモデルを使うと奇数の極超高調波調波が出てくる。波長が800nm程度の赤外レーザー光を照射すると電子の3ステップモデルの再衝突によって、非常に短いアト秒のパルス幅を持つ高次高調波が発生する。
ピエール・アゴスティーニ氏は650アト秒の単一の光パルスを取り出した
ピエール・アゴスティーニ氏は、2001年に250アト秒の連続パルス光の生成に成功する。電場が振動してるなかで、電子の再衝突によって、次々にパルス光が連続して発生する現象。これが連続パルス光。 電子の動きを解析できるのは貴希ガスなどの気体分子に限られていた。はレーザーの出力向上にともなって、液体や固体の試料にも適用できるようになっている。したがって半導体材料の開発に用いられる技術として発展しそうだ。電子の動きは材料の性質と連動するので、材料中の電子の動きを見極めることで、材料の改善や新材料の開発がもたらされる。
フェレンツ・クラウス氏は650アト秒単一のパルス光を作り出すことに成功する
2001年にフェレンツ・クラウス氏は、650アト秒単一のパルス光を作り出すことに成功する。ピエール・アゴスティーニ氏がつくりだした250アト秒という連続パルス光に比べたら少し長い時間ではあるものの、単パルス光の使い勝手はよい。その後に関連の技術が発達して2017年には47アト秒の単一パルス光がつくられるようになった。発生パルス光は次第に短くなっている。
貴ガスとしてのヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンと長さの単位メートルの定義のことなど
貴ガスとは、周期表第18族に属する6種の元素のヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、の総称で、希ガスと称されていまし。2005年に英語表記がrare gasからnoble gasに改められたことによって、日本語での表記も希ガスから貴ガスへと変更になった。長さの単位のメートルを定義するのにクリプトンを使ったランプの光の波長、ヘリウム－ネオンによるレーザーの波長を使っていた時期がある。現在は光が進む速さによって定義されている。定義とは別に長さを現示する技術的な方法が別に備えられる。
アト秒パルス光の利用で拓かれる未知の領域研究
アト秒パルス光を使うことによって物理の基礎的なことの一つの波動関数を複素数の形のまま波動関数を見ることができることになりそうだ。波動関数は電子の状態を状態を記述することでもあり、これまでは確率分布、つまり波動関数の絶対値の2乗を見るていた。それが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。
材料のなかの電子の動きを解析する技術への応用が広がると、新材料の出現に一役買いそうだ。
医療の分野では血液の中身を電子の動きの状態で解析すことができる。未病の段階で身体の異変を捉えることができる。病気の早期発見はもとよりのことである。可能性ということでは限りがないが、それがどこまで実現できるかはアト秒科学を知り、これを応用する意欲によって決まる。
フラッシュと高速シャッターとアト秒パルス光
アト秒科学におけるアト秒パルス光とはアトの単位で大きさが表現される光である。パルスとは一瞬だけ光る光のこと。
光が強度を持つ時間的な幅は限られた範囲であり、パルス光として出現する。アト秒パルス光とは、時間的な幅がアト秒ぐのオーダーのパルス光のこと。一瞬しか光らない光を作りたいか、とい欲求あるいは需要や必要がある。
アト秒パルス光はカメラのシャッターを想像して語られる。
カメラのシャッターが長い時間ひらいていると動きの速いモノを写せない。新幹線は高速シャッターで撮影しないと車両はボヤケタ塊りとして写る。高速シャッターでは車両の文字も乗客の顔も写すことができる。超高速で動くモノを写したりと捉えたりしようとすると、シャッター速度はそれに見合った速さが求められる。
シャッターを開けていて、その間にごくごく一瞬だけ光る閃光を当てると閃光の速度に見合った像を得ることができる。
分子や原子の内側で動き回る電子の動きを捉えるための、時間つまり速さの程度は、アト秒のパルス光ほどの状態である。電子のトンネルイオン化と３ステップモデルによって実現される単一発光の43アト秒パルス光は、電子の動きを捉える（写し出す）ことができる。
疾走する馬のその四本の脚は地上を離れるかということを課題にして、写真撮影に工夫がされた。ヒトの眼にはどの脚かが着地しているのに高速撮影の写真によって、馬は一瞬宙に浮いていることがわかった。
馬の脚の動き脚の動きにたとえて、アト秒パルス光の速さ、あるいは発光時間の短さを考えたらいい。１アト秒で光が進む距離は0.3nm（ナノメートル）にしか過ぎない。
（計量計測データバンク 編集部）
［資料］
【高校物理】「角速度：ω」
角速度：ω
角速度＝1秒あたりに進む角度。物体が1秒あたりに進む角度が角速度。角速度は円運動における物理量。角速度を表す記号はギリシャ文字で ω(オメガ)。進んだ角度を時間ｔで割ることで角速度が求められる。角速度の単位はrad/s。
アト秒物理学 - Wikipedia
アト秒物理学は、アトピジックス、またはより一般的にはアト秒科学とも呼ばれ、アト秒(10-18秒)の光子パルスを使用して、前例のない時間分解能で物質の動的プロセスを解明する光と物質の相互作用現象を扱う物理学の一分野です。アト秒科学は、主にポンププローブ分光法を用いて、対象の物理過程を調べます。この研究分野は複雑なため、アト秒実験から収集したデータを解釈するには、最先端の実験セットアップと高度な理論ツールとの相乗的な相互作用が一般的に必要になります。
アト秒物理学の主な関心事は次のとおりです。
原子物理学:電子相関効果、光発光遅延、イオン化トンネルの研究。分子物理学と分子化学:分子励起状態(電荷移動過程など)、光誘起光フラグメンテーション、および光誘起電子移動過程における電子運動の役割。固体物理学:先端2次元物質の励起子ダイナミクス、固体のペタヘルツ電荷キャリア運動、強磁性体のスピンダイナミクスの研究。アト秒科学の主な目標の5つは、物質中の電子運動のリアルタイム制御を達成するという長期的な課題とともに、原子、分子、固体中の電子の量子ダイナミクスに関する高度な洞察を提供することです。広帯域固体チタンドープサファイアベース(Ti:Sa)レーザーの出現(1986年)、チャープパルス増幅(CPA)(1988年)、高エネルギーパルスのスペクトルブロードニング(例:自己位相変調によるガス充填中空コアファイバー)(1996年)、ミラー分散制御技術(チャープミラー)(1994年)、およびキャリアエンベロープオフセット安定化 (2000) は、孤立アト秒光パルス(希ガス中の高調波発生の非線形過程によって生成される) (2004, 2006)の生成を可能にし、アト秒科学の分野を生み出した。
人間の技術によって生成される最短の光パルスの現在の世界記録は43ASです。
2022年、Anne L'Huillier氏、Paul Corkum氏、Ferenc Krausz氏は、超高速レーザー科学とアト秒物理学への先駆的な貢献により、物理学のウルフ賞を受賞しました。これに続いて、2023年のノーベル物理学賞では、L'Huillier、Krausz、Pierre Agostiniが「物質の電子ダイナミクスの研究のためにアト秒パルスの光を生成する実験方法」で表彰されました。
はじめに
持続時間:14秒。0:14
水素原子の「電子運動」。この状態の重ね合わせ(1s-2p)の周期は400 As前後である。
動機
原子、分子、固体における電子運動の自然な時間スケールはアト秒(1 as= 10−18 s)である。この事実は、量子力学の直接的な結果です。
2023-11-02-nobel-prize-in-physics-2023-
［2023年ノーベル賞 各賞関連の資料］
├
├2023年ノーベル物理学賞とその業績（計量計測データバンク編集部）
├
├2023年のノーベル賞の各賞が決まる（計量計測データバンク編集部）
├
├2023年ノーベル生理学・医学賞はカタリン・カリコー氏とドリュー・ワイズマン氏（計量計測データバンク編集部）
├
├ノーベル賞 カリコー・カタリン博士物語 人物と経歴（計量計測データバンク編集部）
├
├ノーベル賞 ドリュー・ワイズマン博士の人物と経歴（計量計測データバンク編集部）
├
├計量計測データバンク ニュースの窓－22－小林武彦講演におけるＲＮＡ、人の老い、動物の老いについて
├
├
├計量計測データバンク ニュースの窓－93－2023年のノーベル経済学賞
├計量計測データバンク ニュースの窓－95－2023年ノーベル物理学賞（その２）
├計量計測データバンク ニュースの窓－103－2023年ノーベル生理学・医学賞はmRNAワクチン開発貢献でカタリン・カリコ氏ら２名に
├計量計測データバンク ニュースの窓－104－日本列島人の頭骨の形態変化（脳容積と知能は比例しない）
├計量計測データバンク ニュースの窓－105－2023年のノーベル賞 物理学賞（その１）と化学賞
├
├脳体積と知性にかかわりはない 時代によって変化する頭骨の形状（計量計測データバンク編集部）
├
├2023年のノーベル賞の各賞が決まる（計量計測データバンク編集部）
├
├ビオンテック上席副社長カタリン・カリコ博士とCOVID-19対応mRNAワクチンの開発
├
├国民のワクチン接種率7割でCOVID-19を抑えられる
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イラスト画はノーベル物理学賞の受賞者。左からピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウス、アンヌ・ルイリエの三氏（ノーベル財団提供）
葛飾北斎の冨嶽三十六景「神奈川沖浪裏」（この波は高速ストロボ撮影によって写しとることができる）
葛飾北斎は落ちた鳥を拾って写生をした。鳥の身体のつくりを写しとって自分が描く絵の元にした。葛飾北斎の冨嶽三十六景「神奈川沖浪裏」はヒトの眼には写らない波が砕け散る様を描いている。この波の様子はカメラではストロボ照射による高速シャッターによって写しとることができる。アト秒パルス光は原子（分子）のなかで活動する電子の動きを写しとることができる速さをもつ。
葛飾北斎の怒涛図 男浪図。（この波は高速ストロボ撮影によって写しとることができる）
荒々しく力強い大浪図 ぐるりと内に巻き込み白い飛沫を立てる荒々しい青い波。葛飾北斎が1840年代半ば頃、信州の小布施を訪れたとき、上町（かんまち）祭り屋台の天井画に描いた荒々しく力強い「男波図」。「怒涛図」の一枚として、繊細華美な「女波図」と共に制作された。「冨嶽三十六景 神奈川沖波裏」の大波に通ずる波の描き方である。
男波（おなみ）、女波（めなみ）について。
岐阜県の郡上八幡の職漁師は男波（おなみ）、女波（めなみ）という言葉を使う。菱田與一は流れが底から水面に上昇している状態を男波、水面から底に向かう流れを女波と称していた。恩田俊雄は流心の三角波が立っている早い流れを男波、男波の両脇のやや緩やかな流れを女波と称する。二人は郡上八幡伝説のアマゴ釣りの名人。恩田俊雄は釣り人が釣り残している男波を選んで釣果をだした。男波には大魚が棲む（いつく）。流れが速い男波の底まで餌を流すのは難しい。菱田與一は垂直方向の流れ、恩田俊雄は水平方向の流れに対して男波、女波を当てている。アマゴが餌を喰う流れを喰い波と言い、この流れに餌を流すことで好釣果が得られる。アマゴの給餌点はアユの友釣りにおけるオトリを入れる場所に通じる。
（タイトル）
2023年ノーベル物理学賞とその業績（計量計測データバンク編集部）
（本文）
ノーベル物理学賞はアト秒パルスレーザー開発に貢献した三氏、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。
物質中を動き回る電子を観察する「アト秒科学」の道が拓かれる
2023年のノーベル物理学賞はアト（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関係して、その実験手法の開発に貢献した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・ルイリエ教授の三人に贈られた。選考の基準が実験手法に限定されたために、この方面の理論的な基礎を築いたカナダの物理学者（専門はレーザー科学）ポール・ブルース・コーカム（（Paul Bruce Corkum, 1943年10月30日 - ）は選考から外れた。これらの人々の功績によって、極小の時間だけ光るレーザーをカメラのフラッシュのように使って物質中を動き回る電子を観察する「アト秒科学」の道が拓かれた。
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年にアンヌ・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。
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。
授賞式は2023年12月10日にストックホルム行われ、。賞金の1100万スウェーデンクローナ（約１億5000万円）は三人に分割して渡される。
アト秒科学とSI接頭語のアト そしてアト秒の世界を知る
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。
アトは基礎となる単位の 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。
１秒で地球7周半にする光は１アト秒では0.33nm（ナノメートル）しか動けない
アト秒科学におけるアト秒の大きさは、10の-18乗秒。１アト秒で光が進む距離は0.3nm（ナノメートル）。１秒に地球7周半(30万㎞)する速さの光は１アト秒では0.33nmしか動けない。１アト秒の大きさとはこのようなことだ。
原子の化学反応を捉えるフェトム科学は1980年代の後半に登場
原子あるいは分子のレベルで化学反応を捉える手法は1980年代の後半に登場した。フェムト（10-15、1000兆分の1）秒だけ光るレーザーが開発され分子中の原子の結合や分離のようすを見ることができるようになった。アハメド・ズウェイル（Ahmed Hassan Zewail）氏は、この業績によって1999年にノーベル化学賞を受賞している。
電子の動きをとらえるアト秒科学への挑戦
電子の動きをとらえるための領域は、フェムト（10-15，1000兆分の1）秒の先にあるアト秒になる。水素原子の電子が原子核の周りを一周する時間は150アト（10-18、100京分の1）秒である。アト秒科学への挑戦の意味はここにある。電子の動きを捉えるほどの短い波長の一瞬だけ光る光りを発生させる技術の獲得によって、人類は次の次元の領域に進んでいく。
アンヌ・ルイリエ氏による高次高調波発生の実験成果
アンヌ・ルイリエ氏は、強力な赤外光を貴ガスに照射すると、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1987年に発見した。それまでわかっていたことは高次高調波のパルス幅が短かいということだけであった。
原子中に閉じ込められている電子は、照射されたレーザ光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。レーザー光の電場はフェムト秒の周期でシーソーのように振動しているので、外に出ようとした電子が逆向きの電場によって引き戻されて原子に再衝突すると、アト秒のパルス幅を持つ高次高調波が発生する。
レーザー光が当たると元々の周波数の整数倍の光が飛び出す。これが高調波。この整数倍の数字が大きなものが高次高調波。アンヌ・ルイリエ氏が発見したのは、強高度の赤外レーザー光を貴ガスに当てると、それより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）光が出てくること。 ωとは角速度のこと。角速度とは１秒あたりに進む角度。物体が１秒あたりに進む角度が角速度。角速度は円運動における物理量。角速度を表す記号はギリシャ文字で ω(オメガ)。進んだ角度を時間ｔで割ることで角速度が求められる。角速度の単位はrad/s。角速度：ω。
高次高調波のパルス幅が短い。パルス幅とは時間幅のこと。高次高調波によって以前よりも短いパルス幅の光をつくりだすことができる。この高次高調波を得ることが、アト秒のパルス光を作る基礎となった。アンヌ・ルイリエ氏の仕事がその後の発展のための大きなきっかけをつくった。
レーザー科学者ポール・ブルース・コーカム氏の功績
高次高調波の理論を考えたのがカナダのレーザー科学を専門とする物理学者のポール・ブルース・コーカム氏。２０２３年のノーベル賞が実験手法に限定されていないで、アト秒の物理学という枠組みで、さらに４名まで選ぶことができるとしたら、ポール・ブルース・コーカム氏も受賞したとされる。
アト秒物理学によってもたらされると想定される科学と技術の領域として次のことがあげられる。
原子物理学関連における電子相関効果、光発光遅延、イオン化トンネル。分子物理学と分子化学:分子励起状態(電荷移動過程など)、光誘起光フラグメンテーション、および光誘起電子移動過程における電子運動の役割。固体物理学:先端2次元物質の励起子ダイナミクス、固体のペタヘルツ電荷キャリア運動、強磁性体のスピンダイナミクスの研究。
アト秒科学によって、物質中の電子運動のリアルタイム制御を達成するという長期的な課題とともに、原子、分子、固体中の電子の量子ダイナミクスに関する高度な洞察が現実的となる。広帯域固体チタンドープサファイアベース(Ti:Sa)レーザーの出現(1986年)、チャープパルス増幅(CPA)(1988年)、高エネルギーパルスのスペクトルブロードニング(例:自己位相変調によるガス充填中空コアファイバー)(1996年)、ミラー分散制御技術(チャープミラー)(1994年)、およびキャリアエンベロープオフセット安定化 (2000) は、孤立アト秒光パルス(希ガス中の高調波発生の非線形過程によって生成される) の生成を可能にている。2023年現在実現されている最短の光パルス43アト秒。
３ステップモデルとポール・ブルース・コーカム氏
ポール・ブルース・コーカム氏が考えた理論モデルは次のようなもの。
原子は原子核に電子がとらわれている。原子核のクーロンポテンシャルによって、電子が閉じ込められているところへ強い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、反対側に傾く。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し算されて傾く。電子が壁を感じていても、量子力学におけるトンネル効果によって、ポテンシャルの壁をすり抜けることができる。ポテンシャルの外に出ていく原子から電子が離れてイオン化される。この現象がトンネルイオン化。
クーロンポテンシャル（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。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mghと表される。
トンネル効果を使ってイオン化することがトンネルイオン化。これに伴って電子が外に出るのだが、電場振動してるので逆側にポテンシャルが傾く。この傾きによって電子は逆側に坂を下る。電子はここで運動エネルギーを獲得する。電子が余分な運動エネルギーを得ると、元のところ、つまり原子のとこに戻って、また原子核が作るのポテンシャルに束縛される。つまり原子の方に運動して再衝突する。原子から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出される。これが電子のトンネルイオン化と３ステップモデルである。
３ステップモデルを使うと奇数の極超高調波調波が出てくる。波長が800nm程度の赤外レーザー光を照射すると電子の3ステップモデルの再衝突によって、非常に短いアト秒のパルス幅を持つ高次高調波が発生する。
ピエール・アゴスティーニ氏は650アト秒の単一の光パルスを取り出した
ピエール・アゴスティーニ氏は、2001年に250アト秒の連続パルス光の生成に成功する。電場が振動してるなかで、電子の再衝突によって、次々にパルス光が連続して発生する現象。これが連続パルス光。 電子の動きを解析できるのは貴希ガスなどの気体分子に限られていた。はレーザーの出力向上にともなって、液体や固体の試料にも適用できるようになっている。したがって半導体材料の開発に用いられる技術として発展しそうだ。電子の動きは材料の性質と連動するので、材料中の電子の動きを見極めることで、材料の改善や新材料の開発がもたらされる。
フェレンツ・クラウス氏は650アト秒単一のパルス光を作り出すことに成功する
2001年にフェレンツ・クラウス氏は、650アト秒単一のパルス光を作り出すことに成功する。ピエール・アゴスティーニ氏がつくりだした250アト秒という連続パルス光に比べたら少し長い時間ではあるものの、単パルス光の使い勝手はよい。その後に関連の技術が発達して2017年には47アト秒の単一パルス光がつくられるようになった。発生パルス光は次第に短くなっている。
貴ガスとしてのヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンと長さの単位メートルの定義のことなど
貴ガスとは、周期表第18族に属する6種の元素のヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、の総称で、希ガスと称されていまし。2005年に英語表記がrare gasからnoble gasに改められたことによって、日本語での表記も希ガスから貴ガスへと変更になった。長さの単位のメートルを定義するのにクリプトンを使ったランプの光の波長、ヘリウム－ネオンによるレーザーの波長を使っていた時期がある。現在は光が進む速さによって定義されている。定義とは別に長さを現示する技術的な方法が別に備えられる。
アト秒パルス光の利用で拓かれる未知の領域研究
アト秒パルス光を使うことによって物理の基礎的なことの一つの波動関数を複素数の形のまま波動関数を見ることができることになりそうだ。波動関数は電子の状態を状態を記述することでもあり、これまでは確率分布、つまり波動関数の絶対値の2乗を見るていた。それが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。
材料のなかの電子の動きを解析する技術への応用が広がると、新材料の出現に一役買いそうだ。
医療の分野では血液の中身を電子の動きの状態で解析すことができる。未病の段階で身体の異変を捉えることができる。病気の早期発見はもとよりのことである。可能性ということでは限りがないが、それがどこまで実現できるかはアト秒科学を知り、これを応用する意欲によって決まる。
フラッシュと高速シャッターとアト秒パルス光
アト秒科学におけるアト秒パルス光とはアトの単位で大きさが表現される光である。パルスとは一瞬だけ光る光のこと。
光が強度を持つ時間的な幅は限られた範囲であり、パルス光として出現する。アト秒パルス光とは、時間的な幅がアト秒ぐのオーダーのパルス光のこと。一瞬しか光らない光を作りたいか、とい欲求あるいは需要や必要がある。
アト秒パルス光はカメラのシャッターを想像して語られる。
カメラのシャッターが長い時間ひらいていると動きの速いモノを写せない。新幹線は高速シャッターで撮影しないと車両はボヤケタ塊りとして写る。高速シャッターでは車両の文字も乗客の顔も写すことができる。超高速で動くモノを写したりと捉えたりしようとすると、シャッター速度はそれに見合った速さが求められる。
シャッターを開けていて、その間にごくごく一瞬だけ光る閃光を当てると閃光の速度に見合った像を得ることができる。
分子や原子の内側で動き回る電子の動きを捉えるための、時間つまり速さの程度は、アト秒のパルス光ほどの状態である。電子のトンネルイオン化と３ステップモデルによって実現される単一発光の43アト秒パルス光は、電子の動きを捉える（写し出す）ことができる。
疾走する馬のその四本の脚は地上を離れるかということを課題にして、写真撮影に工夫がされた。ヒトの眼にはどの脚かが着地しているのに高速撮影の写真によって、馬は一瞬宙に浮いていることがわかった。
馬の脚の動き脚の動きにたとえて、アト秒パルス光の速さ、あるいは発光時間の短さを考えたらいい。１アト秒で光が進む距離は0.3nm（ナノメートル）にしか過ぎない。
（計量計測データバンク 編集部）
［資料］
【高校物理】「角速度：ω」
角速度：ω
角速度＝1秒あたりに進む角度。物体が1秒あたりに進む角度が角速度。角速度は円運動における物理量。角速度を表す記号はギリシャ文字で ω(オメガ)。進んだ角度を時間ｔで割ることで角速度が求められる。角速度の単位はrad/s。
アト秒物理学 - Wikipedia
アト秒物理学は、アトピジックス、またはより一般的にはアト秒科学とも呼ばれ、アト秒(10-18秒)の光子パルスを使用して、前例のない時間分解能で物質の動的プロセスを解明する光と物質の相互作用現象を扱う物理学の一分野です。アト秒科学は、主にポンププローブ分光法を用いて、対象の物理過程を調べます。この研究分野は複雑なため、アト秒実験から収集したデータを解釈するには、最先端の実験セットアップと高度な理論ツールとの相乗的な相互作用が一般的に必要になります。
アト秒物理学の主な関心事は次のとおりです。
原子物理学:電子相関効果、光発光遅延、イオン化トンネルの研究。分子物理学と分子化学:分子励起状態(電荷移動過程など)、光誘起光フラグメンテーション、および光誘起電子移動過程における電子運動の役割。固体物理学:先端2次元物質の励起子ダイナミクス、固体のペタヘルツ電荷キャリア運動、強磁性体のスピンダイナミクスの研究。アト秒科学の主な目標の5つは、物質中の電子運動のリアルタイム制御を達成するという長期的な課題とともに、原子、分子、固体中の電子の量子ダイナミクスに関する高度な洞察を提供することです。広帯域固体チタンドープサファイアベース(Ti:Sa)レーザーの出現(1986年)、チャープパルス増幅(CPA)(1988年)、高エネルギーパルスのスペクトルブロードニング(例:自己位相変調によるガス充填中空コアファイバー)(1996年)、ミラー分散制御技術(チャープミラー)(1994年)、およびキャリアエンベロープオフセット安定化 (2000) は、孤立アト秒光パルス(希ガス中の高調波発生の非線形過程によって生成される) (2004, 2006)の生成を可能にし、アト秒科学の分野を生み出した。
人間の技術によって生成される最短の光パルスの現在の世界記録は43ASです。
2022年、Anne L'Huillier氏、Paul Corkum氏、Ferenc Krausz氏は、超高速レーザー科学とアト秒物理学への先駆的な貢献により、物理学のウルフ賞を受賞しました。これに続いて、2023年のノーベル物理学賞では、L'Huillier、Krausz、Pierre Agostiniが「物質の電子ダイナミクスの研究のためにアト秒パルスの光を生成する実験方法」で表彰されました。
はじめに
持続時間:14秒。0:14
水素原子の「電子運動」。この状態の重ね合わせ(1s-2p)の周期は400 As前後である。
動機
原子、分子、固体における電子運動の自然な時間スケールはアト秒(1 as= 10−18 s)である。この事実は、量子力学の直接的な結果です。
2023-11-02-nobel-prize-in-physics-2023-
［2023年ノーベル賞 各賞関連の資料］
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├2023年ノーベル物理学賞とその業績（計量計測データバンク編集部）
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├2023年のノーベル賞の各賞が決まる（計量計測データバンク編集部）
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├2023年ノーベル生理学・医学賞はカタリン・カリコー氏とドリュー・ワイズマン氏（計量計測データバンク編集部）
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├ノーベル賞 カリコー・カタリン博士物語 人物と経歴（計量計測データバンク編集部）
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├ノーベル賞 ドリュー・ワイズマン博士の人物と経歴（計量計測データバンク編集部）
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├計量計測データバンク ニュースの窓－22－小林武彦講演におけるＲＮＡ、人の老い、動物の老いについて
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├計量計測データバンク ニュースの窓－93－2023年のノーベル経済学賞
├計量計測データバンク ニュースの窓－95－2023年ノーベル物理学賞（その２）
├計量計測データバンク ニュースの窓－103－2023年ノーベル生理学・医学賞はmRNAワクチン開発貢献でカタリン・カリコ氏ら２名に
├計量計測データバンク ニュースの窓－104－日本列島人の頭骨の形態変化（脳容積と知能は比例しない）
├計量計測データバンク ニュースの窓－105－2023年のノーベル賞 物理学賞（その１）と化学賞
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├脳体積と知性にかかわりはない 時代によって変化する頭骨の形状（計量計測データバンク編集部）
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├2023年のノーベル賞の各賞が決まる（計量計測データバンク編集部）
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├ビオンテック上席副社長カタリン・カリコ博士とCOVID-19対応mRNAワクチンの開発
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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
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