Attosecond correlation interferometry
本論文は、2モード明るいスクイーズド真空から赤外量子相関を高調波発生へと転送することによって、相関のあるアト秒極端紫外線放射の生成と特性評価を実証し、偶数次高調波干渉法を通じて振幅および位相相関のサブサイクル分解能を可能にし、さらに30アト秒以内における結合ゆらぎのほぼ無音状態への遷移を明らかにしている。
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光は単に部屋を照らすビーム以上の存在です。それはフォトンのと呼ばれる粒子の流れであり、私たちの日常的な直感を覆すような方法で結びつくことができます。これらのフォトンのが共に生成されるとき、それらは秘密のつながりを共有します。つまり、一方の変化が、たとえどれほど距離が離れていても、瞬時にもう一方に影響を与えるのです。科学者たちは長年、これらの連動したペアを利用して超高精度なセンサーや安全な通信システムを構築してきましたが、その多くはフェムト秒という時間スケールで比較的ゆっくりと振動する光を用いて研究してきました。これはそれでも驚異的な速さですが、原子の中で電子が飛び回る、あの熱狂的なサブサイクル運動を捉えるには遅すぎます。電子はアト秒という時間スケールで動いており、これは1秒間に200京（10の18乗）個ものアト秒が収まるほど極めて短い単位です。数十年にわたり、このような極端な速度において量子相関を作り出し、測定することが課題となってきました。この作業には、電子の目に見えないダンスを、像をぼかすことなく捉えることができるツールが必要なのです。
ワイツマン科学研究所とイスラエルのテクニオンの研究チームが、今、このパズルを解くための大きな一歩を踏み出しました。彼らは、わずか数百アト秒しか持たない極端紫外線光パルスにおいて、量子相関を生成し、測定することに成功しました。これを行うために、彼らは高調波発生と呼ばれるプロセスを用いた巧妙なトリックを使用しました。これは、強力なレーザービームをガスの中に照射し、原子から高エネルギーの光のバーストを放出させるプロセスです。この実験において、研究者たちは標準的なレーザービームを使用しただけでなく、連動したフォトンのペアを含む、より弱い第2の光場を加えました。「二モード・ブライト・スクイーズド真空」として知られるこの特殊な光場は、ガス中の原子に対して微細な「押し（ナッジ）」として作用しました。原子がこの押しに反応する際、元の赤外線の持つものと同じ秘密のつながりを持った極端紫外線光のバーストを放出しました。これにより、量子的なリンクを、低速で馴染みのある速度から、電子の動きという猛烈な速さへと効果的に変換したのです。
研究者たちは大きな障壁に直面しました。彼らが作り出した光パルスは混沌としており、バーストごとに明るさやタイミングが激しく変動していたのです。もし彼らが一方のチャネルの光だけを見ていたら、信号はランダムなノイズとして現れ、背後にあるパターンを隠してしまったことでしょう。しかし、両方のチャネルの光を同時に測定することで、彼らは隠された秩序を見出すことができました。個々のパルスはノイズだらけでしたが、一方のチャネルにおける変動は、もう一方のチャネルの変動と完璧に一致していることを彼らは発見しました。それはまるで、二人の人物がランダムな言葉を叫んでいるものの、二人の声を一緒に聴けば、互いの声がノイズを打ち消し合い、明確で同期したリズムを浮かび上がらせるようなものでした。これにより、研究チームは、量子相関が、生成された場所である赤外線スペクトルから、電子の動きを追跡できるほど短い光パルスが存在する極端紫外線スペクトルに至るまでの旅路において、生き残っていることを証明したのです。
これらのつながりが、単なる明るさに関するものではなく、光波の精密なタイミングに関するものであることを確認するために、チームは生成した光のユニークな特性を利用しました。レーザーとガスの相互作用は、二つの連動したチャネルが精密に連携して初めて現れる、特定の種類の光パルスを生み出しました。メインのレーザーと連動した光のタイミングを注意深く調整することで、彼らはこれらの特別なパルスの強度がリズムを刻んで増減する様子を観察しました。この振動は、二つのチャネルが強さにおいてだけでなく、位相においてもロックされていること、つまり、波の山と谷がアト秒の精度で同期していることを証明しました。この観察は、量子的なつながりの直接的な測定となり、研究者たちが繊細な量子関係を、新しい超高速領域へと正常に転送できたことを裏付けました。
最も衝撃的な結果は、チームが実際の光パルスの形状を時間軸上で再構成したときに得られました。彼らは、個々のパルスはランダムな変動の塊である一方で、結合された信号は、短い沈黙の後に突然の激しいノイズのバーストが続くという構造を持っていることを見出しました。この混沌から静寂への遷移は、わずか30アト秒の間で起こりました。この発見は、量子相関が単なる統計的な好奇心の対象ではなく、操作可能で観察可能な、現実の物理的構造であることを示しています。電子の自然な時間スケールでこれらの相関を生成し、測定できる能力は、科学に新たな扉を開きます。それは将来、研究者が分子や物質内部で電子がどのように相互作用するかを観察し、化学反応を制御する新しい方法を見出したり、物質の最も基本的なレベルにおける根本的な振る舞いを理解したりするためのツールとなる可能性を示唆しています。
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