The Ultimate X-ray Machine

X線自由電子レーザー　究極の顕微鏡

By Nora Berrah ／Philip H. Bucksbaum

N. ベラー／P. H. バクスバウム


An atom, molecule or speck of dust placed at the focus of the world’s most powerful x-ray laser doesn’t stand a chance. The illuminated matter reaches a temperature in excess of one million kelvins, as hot as the solar corona, in less than a trillionth of a second. Atoms of, for example, neon subjected to such extreme radiation rapidly lose all 10 of their electrons, and once they have lost their protective cloak of electrons, they explode away from neighboring atoms. For physicists, the trail of destruction holds a peculiar fascination.		世界最強のX線レーザーの焦点に置かれた原子や分子，塵の粒は絶体絶命だ。この光に照らされた物質は1兆分の1秒足らずで，太陽コロナに匹敵する100万K以上の超高温に達する。例えばネオン原子がこのすさまじい放射にさらされると，その10個の電子すべてをすぐに失い，電子の保護コートをはぎ取られたが最後，隣の原子とのつながりを断たれて爆発的に飛び散る。物理学者にとって，この破壊の過程は非常に興味をそそるものだ。
What makes the process astonishing is that the laser boils away the atoms’ electrons from the inside out. The electrons, which surround the nucleus of the atom in onionlike orbital shells, do not all react uniformly to the x-ray beam. The outer shells are nearly transparent to x-rays, so the inner shell takes the brunt of the radiation, much as coffee in a microwave oven is heated long before the cup that holds it. The two electrons in that shell shoot off, leaving empty space in their wake; the atom is hollow. Within a few femtoseconds (quadrillionths of a second), other electrons get sucked in to replace the lost ones, and the cycle of core-hole formation and vacancy filling continues until no electrons are left. This process occurs for molecules as well as solid matter.		とりわけ驚異的なのは，内側にある電子から吹き飛ばされることだ。原子核を周回する電子はその軌道がタマネギのような殻構造をなしており，X線ビームに対する反応が異なる。外側の電子殻はX線に対し透明に近いので，最も内側の電子殻が放射の矢面に立つことになる。コーヒーを電子レンジで温めると，外側のコーヒーカップより先に中身のコーヒーが熱くなるのと似ている。　最内殻の2個の電子が弾き出され，そこに空席ができて，「中空原子」という状態になる。その後，数フェムト秒（1フェムト秒は1000兆分の1秒）以内に別の電子が引き込まれてこの空席を埋める。こうして中心部に穴ができてはその空きが埋められるというサイクルが，電子が尽きるまで続く。この過程は固体物質だけでなく遊離状態の分子でも生じる。
The resulting exotic state of matter lasts only a few femtoseconds. In solids, it decays into an ionized state—a plasma—called warm dense matter, which is normally found only in extreme settings such as nuclear fusion reactions and the cores of giant planets. The brief but extreme environment at the focus of an x-ray laser beam has no parallels on Earth.		この特異な状態は数フェムト秒しか続かない。固体の場合は，すぐに「固体プラズマ遷移状態」と呼ばれる電離（プラズマ）状態になる。通常なら核融合の過程や巨大惑星の中心核といった極限状況でしか見られないものだ。X線レーザービームの焦点に短時間ながら生じる極端なこの環境は，地球上で比類がない。
The x-ray laser itself is as remarkable as the exotic phenomena it reveals. Known as the Linac Coherent Light Source (LCLS) at the SLAC National Accelerator Laboratory, it evokes memories of the 1980s-era “Star Wars” missile-defense system, whose advocates proposed wielding x-ray lasers to shoot down ballistic missiles and satellites, although this real-world x-ray laser owes much more to the great atom smashers developed at about the same time. The device repurposes one of the nation’s premier atom smashers, the SLAC linear accelerator, operated by Stanford University for the U.S. Department of Energy.		X線レーザー自体が，そうした極限現象と同じくらい非凡なものだ。米国立SLAC加速器研究所にあるこの装置はLCLS（Linac Coherent Light Source）として知られ，1980年代に構想されたミサイル防衛システム「スターウォーズ計画」を思い起こさせる。この構想は弾道ミサイルや軍事衛星をX線レーザーによって撃ち落とそうというものだったが，実際のLCLSはこの計画とほぼ同時期に開発された巨大加速器により多くを負っている。スタンフォード大学がエネルギー省（DOE）の委託で運転していたSLAC線形加速器を用途変更して作られたのがLCLSだ。