電子の「動画」を撮影

スウェーデンの研究グループ、「電子」の動画映像の撮影に世界で初めて成功
http://www.technobahn.com/news/2008/200802231903.html

  スウェーデンのルンド大学（Lund University）の研究グループが「電子
（Electron）」の動画映像の撮影に世界で初めて成功していたことが22日、学
術専門誌「Physical Review Letters」に掲載された論文により明らかとなっ
た。
　電子を映像に撮影する試みは過去にも実施され成功していたが、電子の周囲
には非常に高い電荷がかかっており動画として電子の動きを撮影することはこ
れまでは不可能だと考えられてきたこともあり、今回のルンド大学の研究グルー
プの成果は大きな注目を集めている。
　今回撮影に成功したこの画像は原子核の周囲を回る電子の動きを150アト秒
（1アト秒＝10^-18秒＝1/1000000000000000000秒）間に渡って撮影したものの
視覚化可能な範囲でスローモーションとして再現したもの。
　ルンド大学の研究グループではこういった形で実際の電子の動きを視覚化す
ることにより原子物理学の研究が飛躍的に向上することを期待している。

より詳しい解説は以下にあります。

Electron Stroboscope
http://focus.aps.org/story/v21/st7

  Now a team led by Anne L’Huillier and Johan Mauritsson of Lund
University in Sweden has combined this laser technique with precisely
timed trains of ultrashort light pulses to cleanly image electron
motion. The pulses in the train were just three hundred attoseconds
(10-18 seconds) long. The researchers synchronized the pulse train
with the oscillations of a relatively weak infrared laser, so that
their cloud of helium atoms received a strong, ionizing "kick" at a
precise time during each laser cycle. Each attosecond pulse released a
few electrons, some of which were thrown back against their atoms
before being pushed sideways and detected. 
  Accumulating data from many ionization events, the team created
clean images of the quantum state of electrons ionized at a single
moment in the laser oscillation cycle. The images are the first of
their kind that show such controlled electron-atom scattering. The
team calls their system a stroboscope, after another device that uses
periodic flashes of light to capture a still image of a hummingbird's
wings, for example. 
  Each experiment generated a "bullseye" pattern showing the locations
in which electrons struck the detector plate. To demonstrate that each
image represented precisely one moment during the laser cycle--rather
than a range of ionization times--the team shifted the timing of the
attosecond pulses with respect to the laser field cycle. If electrons
were ionized at a time when the laser field gave them an extra boost
upward, the pattern shifted upward; if the ionizing pulse came a
half-cycle later, the bullseye shifted downward. This pattern shifting
wouldn't have been possible with longer-lasting ionization periods.
  The next step will be further controlling and studying electron-atom
interaction in more detail, says team member Kenneth Schafer of
Louisiana State University in Baton Rouge. He also hopes researchers
will use electrons scattered off their atoms to observe the unsettled
state of atoms immediately after ionization. 

弱い光をあててヘリウム原子の電子を揺らして、そこにタイミングを合わせて
300アト秒の時間幅のパルス光をあてています。そうするとパルス光のあたって
いる間だけ電子が外に飛び出してくるのでその飛び出た電子を観測します。(注1)
パルス光のタイミングが、弱い方の光の電場(光は電場が振動している)が
電子に上向きの力を与えているときだったら画像は上の方にシフトするし、
半サイクル後なら下の方にシフトします。そうやって撮った画像を
パラパラ漫画のように連続再生しています。(注2)

この手法で原子がイオン化された直後の不安定な状態も観測できるそうです。

300アト秒というと3x10^-16秒(3/10000000000000000秒)です。
最近はそんな短いレーザーパルス光も作れるんですね。それを使うと
化学反応よりもっと速い現象をとらえられてすごいですね。

(注1)
この方法でものすごく速い現象を「止めて」見ることができます。
それはストロボ写真でハチドリのはばたきを見るのと似ています。
肉眼でははばたきが速すぎてハチドリの翼はどこにあるんだか
わからない状態で見えるけれど、ストロボ写真である瞬間だけ
撮影すれば翼は止まって見えるので。

(注2)
動画というと1個の電子の動きをずっと追いつづけるような感じがしますが、
この実験は少し違います。普通の動画では同じ対象物を何秒かおきに撮って
いますが、この実験では「動画」の一瞬一瞬ごとに別の電子が写っています。
1回のパルス光で発生させた電子で1枚の画像を撮り、また次の回のパルス光で
発生させた電子で次の1枚の画像を撮り、、、という感じ。

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