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XFELを用いて原子核超放射を観測理化学研究所(理研) 研究グループ

 理化学研究所(理研)の研究グループは,X線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLAにおいて,原子核の集団からの「超放射」と呼ばれる量子力学的現象を観測 し,今から60年以上前に提唱された基礎的な理論の検証に成功したと発表した。
 1954年,ロバート・ディッケは「超放射」と呼ばれる量子力学的現象を予測した。通常,光子などの量子を吸収して励起状態になった孤立原子は,ある時間が経過した後,量子を放出して基底状態へ戻るが,これを「自然放射」という。これに対して超放射は,同時に励起された多数の原子が一斉に量子を放出する現象で,量子放出までの時間(励起された原子の寿命)が自然放射よりも短くなるとともに,放射強度は高くなる。
 今回,同グループは,SACLAの強力なコヒーレントX線パルスによって共鳴励起された多数の鉄原子核(57Fe)からのX線放射の時間推移を観測した。その結 果,放射されるX線量が増えるにしたがって,最初のX線光子放出までの時間が劇的に短くなる「超放射」現象を捉えた。本研究では,放射X線の計数を1光子単位で行うことにより,まさに最初の光子が放出されるまでの時間を知ることができた。この方法により,ディッケの理論を厳密に検証することができた。今回の研究により,X線によって励起された原子集団の緩和過程について,新たな描像を提案することができた。将来,X線分析技術が直面する課題を解決するにあたって,重要な役割を果たすと期待される。

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