新しい光がつくる新しい時代！「 X線自由電子レーザー」とは何か？ : サイエンスジャーナル

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現在、音楽を聴いたり、映画を見たりする時になくてはならないCDやDVD。最近はBD（ブルーレイディスク）も出てきた。BDではDVDの約5倍も記録できる。素晴らしい科学技術である。レコード盤やカセットテープを使っていた、昔に比べればもう十分だとも思う。しかし、科学の最先端では次世代の大容量記録媒体が考えられている。

いったい次はどうやって記録容量を増やすのだろう？ヒントは「光」にある。

CDの読み取りは780nm赤外線レーザーを使う。DVDでは650nm赤色レーザーをブルーレイディスクは405nm青紫色半導体レーザーを使う。光の波長はどんどん短くなってきた。その結果、記憶できる容量もCDで650MB、700MB、DVDで4.7GiB（1層）、8.54GiB（2層）、BDで25GB（1層）、50GB（2層）と増えた。

正解はさらに波長の短い光を使うことだ。次の光「紫外線」は波長が10nm〜400nmであるが、もはや見えない。さらに「X線」ともなると見えないどころか、放射線になる。波長は0.001nm（1pm）〜10nmである。現代の科学技術ではどこまで可能なのだろうか？（n：ナノは100万分の1）

20世紀はエレクトロニクス（電子技術）の時代といわれた。電気製品が工夫され生活は豊かになった。そして21世紀はフォトニクス（光子技術）の時代になるといわれている。もうすでに光通信、CD、DVD、BDなどにフォトニクスが使われている。

19世紀末にレントゲンがX線を見つけ、第１回ノーベル賞を受賞してから時代は急速に発展した。当初、X線は正体が分からないから、X線と名付けられた。レントゲンは自分や奥さんの手を撮って骨が見えることを示して、まず医学関係に広がった。

一方、レントゲンの発見から20年くらいたって、マックス・フォン・ラウエという、ドイツ人物理学者が、X線を結晶にあてると、光のように回折し、独特の模様を描くことを発見した。これをX線回折といい、これによりX線は波長の非常に短い光だということが確認された。1914年マックス・フォン・ラウエはノーベル物理学賞を受賞する。

また、さらに何十年かたって、ワトソンとクリックは、DNAにX線を当てて解析した結果、二重らせん構造をしていることが分かった。いまやタンパクの結晶をつくってX線で見るということは当たり前になっている。

およそ100年前に見つかった新しい光が、100年たって社会の隅々に行き渡り、医学、工学、科学技術などいろいろなところで役に立っている。

もう一つ光の分野では、20世紀の大発明にレーザーがある。簡単に言うと半導体などの原子や分子に電圧をかけ発光させる。そして共振器を通して、光の波長を重なり合わせて非常に強くする。これらのレーザーもいろいろなところで使われている。

現在の最先端ではこの「X線」と「レーザー光」を組み合わせた「X線自由電子レーザー（XFEL）」が実験段階にきている。何とこのレーザーを使うと、たった１個の分子や原子があれば、その構造がわかるほど、波長が小さく、コヒーレントな（精密な）なレーザーである。

大きな歩幅を合わせて、大勢が行進するのは練習すれば可能であるが、小さな歩幅を合わせて、しかも大勢が走って合わせるのは至難の業である。まさに針の穴に糸を通すような精密な科学技術が必要とされた。

参考HP：理化学研究所X線自由電子レーザー(XFEL)計画合同推進本部
　→　http://www.riken.jp/XFEL/jpn/whatis/index.html

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X線自由電子レーザーの威力裏付ける新成果

X線自由電子レーザーの試験機から高強度の極端紫外光を発生させ、窒素原子の光イオン化という現象を初めて観測することに東京大学などの研究グループが成功した。原子・分子科学の新しい研究領域を切り開いたことに加え、理化学研究所が国家基幹技術として開発中のX線自由電子レーザープロジェクトのコンセプトが正しいことを裏付ける成果として注目される。

研究成果を公表したのは、東京大学、高エネルギー加速器研究機構、慶應義塾大学、日本原子力研究開発機構、理化学研究所、日本電信電話会社の合同チームと理化学研究所X線自由電子レーザー計画推進本部からなる研究グループ。X線自由電子レーザーは、化学反応など超高速で変化するナノの世界の現象がリアルタイムで観測できるなど、さまざまな分野で威力を発揮する画期的な研究装置として、日、米、欧州で激しい開発競争が展開されている。試験機は、開発中の本装置の設計が正しいことを証明するため、実証用プロトタイプ機として2006年に完成、その後、性能向上が図られた。

今回の成果は、非摂動領域と呼ばれる非常に強度の強い光を、はじめて極端紫外光という短い波長域で発生させたのがポイント。試験機も非常に役に立つ装置であることが明らかになったことで、今後、この装置を使った研究が活発になるとみられる。

2010年度の完成を目指し理化学研究所播磨研究所内に建設が進められているX線自由電子レーザー装置は、アンジュレーターと呼ばれる磁石列(電子の通り道)を丸ごと真空容器内に納める独特の設計により、費用、大きさとも欧米で開発中の装置の半分以下で、高強度・高品質なレーザービームを安定的に発振することができる、と期待されている。今回の研究成果について石川哲也・理化学研究所X線自由電子レーザー計画合同推進本部プロジェクトリーダーは、「欧米とは異なる日本のX線自由電子レーザープロジェクトのコンセプトの正しさが実証された。今後も、試験機を利用して実機の高性能化を図っていきたい」と話している。
（サイエンスポータル 2008年4月22日）