Near single-cycle pulse generation using a cascaded all-bulk multi-pass cell compression system

ハミングバード（ハチドリ）の羽ばたきの瞬間を写真に収めようとしている場面を想像してみてください。それには、動きを一瞬で静止させるほど速いカメラのフラッシュが必要です。物理学の世界では、科学者たちもこれと同じことをしようとしています。ただし、対象は鳥の羽ではなく、原子の中にある電子のダンスです。これらの微粒子を捉えるためには、1兆分の1秒よりも短い光のパルスが必要です。パルスが速ければ速いほど、電子の「一生」をより鮮明な写真として写し出すことができます。

何十年もの間、科学者たちはこれらの超高速フラッシュとして機能するレーザーを作り続けてきました。しかし、そこには落とし穴があります。簡単に作れるレーザーは、まるでスローモーションビデオカメラのようなものです。それらが作り出す光のパルスは、時間の長さが「長い」のです（数百フェムト秒。1フェムト秒は1000兆分の1秒です）。電子を鮮明に見るために必要な超短く「単一サイクル」のフラッシュを得るには、科学者はこれらの長いパルスを、信じられないほど細く、短く押しつぶさなければなりません。それは、長く緩んだ輪ゴムを、極限まで引き伸ばして細くし、その後、強力な小さなバネへと弾き返すようなものです。課題は、ゴムバンドが切れたり、絡まったりすることなく、これを行うことです。この論文は、光を最も短い形へと、壊すことなく押しつぶすための、新しい巧妙な方法について述べています。

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論文：光を単一サイクルへと押しつぶす

本研究において、スウェーデンのルンド大学の研究チームは、この極限的な光の圧縮行為を行うための装置を構築しました。彼らは、すでに非常に高速ではあるものの、電子の最も速い動きを見るにはまだ長すぎる、220フェムト秒の標準的なレーザーパルスからスタートしました。彼らの目標は、このパルスを光のわずか数「サイクル」にまで押しつぶすことでした。これが、パルスが持ちうる最小の長さです。

レーザーパルスを、手をつないでいる長い、ゆらゆらとした列だと考えてみてください。その列を短くするためには、人々をより近くに引き寄せる必要があります。科学者たちは、「マルチパスセル（MPC）」と呼ばれる特別な「圧縮ボックス」を使用しました。これは、向かい合う壁に2枚の鏡がある部屋を想像してください。光はこの中で何度も往復します。この部屋の中には、厚いガラス板があります。光がガラスに当たるたびに、光は少し「押し」を受け、その色が広がり、結果としてパルスは時間的には短くなりますが、色としては幅広くなります。

チームは単に一つの圧縮ボックスを使ったのではなく、リレーレースのように、2つのボックスを連続して使用しました。

1. 第1段階の圧縮： 220フェムト秒のパルスが最初のボックスに入ります。ガラスの中を11回反射した後、それは50フェムト秒のパルスとして出てきました。大幅に短くなりましたが、まだ十分な速さではありませんでした。
2. 第2段階の圧縮： この短くなったパルスが、次に2番目のボックスに入ります。ここで、科学者たちはパワーのダイヤルを回しました。彼らは光を極限まで押し込み、その強度が通常はガラスを異常な状態にする現象（「自己集束」と呼ばれる現象）を引き起こすレベルの数百倍に達するようにしました。通常、これほど強い光をガラスに通すことは、泥沼の中をレーシングカーで走るようなものです。車がスタックしたり、泥が飛び散って走行を台無しにしたりすることが予想されます。

大きな発見
研究者たちは、これほど強く光を押し込むと、ビームが歪んで使い物にならなくなるのではないかと懸念していました。彼らは「時空間結合（spatio-temporal couplings）」、つまり「光が空間と時間の中でねじれ、絡まってしまうこと」を警戒していました。しかし、ここで驚くべきことが起きました。何も問題は起きなかったのです。

極限のパワーにもかかわらず、光は完璧にクリアな状態で第2のボックスから出てきました。チームが最終的なパルスを測定したところ、長さはわずか5.5フェムト秒でした。使用した特定の光の色（1058ナノメートル）において、これは光の波のわずか1.6サイクルに相当します。これは、この特定の手法（「オールバルク」方式、つまり固体ガラスのみを使用する方法）を用いて達成された、歴代最短のパルス幅です。

なぜこれが重要なのか
この論文は、この手法が実に見事に機能することを証明しています。彼らは考えうるあらゆる方法でパルスを検証しました。

• 時間： パルスの長さを測定し、期待通りに極めて短い（5.5 fs）ことを確認しました。
• 空間： ビームの形状をチェックし、歪んだ塊ではなく、依然として完璧な円形であることを確認しました。
• 色： 色彩をチェックし、パルスが巨大で滑らかな光の虹を含んでおり、奇妙な隙間やねじれがないことを確認しました。

チームは、通常のカメラが見逃してしまう色（1100 nm以上）を見るために、インジウム・ガリウム・ヒ素（InGaAs）製の特殊なカメラを使用しました。これにより、パルスが超広帯域のカラーレンジ全体にわたって高品質であることを証明できました。

結論
この論文は、標準的なレーザーを取り、ガラス入りの鏡を通過させることで、ビームを壊すことなく単一サイクルのパルスへと押しつぶせることを示しています。ガラスを限界まで押し込んでも、光は秩序を保ち、強力なまま維持されました。最終的なパルスは40マイクロジュールのエネルギーを運んでおり、これはさらなる実験に活用するのに十分な量です。

著者らは、このセットアップが「強電場」実験に必要な超高速光を作るための、コンパクトで堅牢かつ効率的な方法であると示唆しています。これには、極端紫外線（EUV）の生成や、電子の動きをリアルタイムで観察するための、さらに短い「アト秒パルス」の生成などが含まれます。彼らは、コーティングされていないガラス板によるエネルギー損失が依然として存在することを指摘していますが、この手法は、地球上で最も速い光のパルスを生み出すために必要な極限のパワーに、固体ガラスが耐えうることを証明しています。