レーザーは必ず火を噴くのですか?人々が涼しくなっているのは最高だ

著者: 李偉 (中国科学院合肥物理科学研究所プラズマ物理研究所)

この記事はサイエンスアカデミー公式アカウント（ID: kexuedayuan）から引用したものです。

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スターウォーズのレーザーガンや、惑星全体を破壊できるデススターのスーパーレーザーを覚えていますか?スタートレックで敵を瞬時に蒸発させることができるフェーズ兵器を覚えていますか?そして、悪者を追い払うレーザーの目を持って生まれたスーパーマンもいます。

図1 スターウォーズ/フォースの覚醒のポスターに登場するレーザー兵器

図 2 レーザーアイを持つスーパーマン (出典: Guokr.com)

これらの作品ではレーザーが強力な超兵器として頻繁に登場しますが、その役割はほぼすべて同じで、物体を加熱するというものです。しかし、レーザーとはいったい何なのでしょうか?普通の光とどう違うのでしょうか？レーザーは物体を加熱するためにのみ使用できますか?会社に従って「光追跡者」になり、レーザー世界の無限の秘密を見てください〜

レーザ？レーザ？それは一体何ですか？

私たちは日常生活の中で、レーザーという言葉を聞くだけでなく、レーザーという言葉も時々耳にします。それで、それらは正確には何でしょうか?それらの違いは何ですか?

あまり詳しくない人は、「レーザー」を文字通りラジウムから放射される光線と理解し、「レーザー」が人の健康を害するという誤解をしてしまうかもしれません。実際のところ、レーザーはラジウムとは何の関係もありません。これは英語の単語 LASER の音訳です。 LASER という単語は、英語の「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の各単語の頭文字から取られており、「放射線の誘導放出による光増幅」を意味します。

では、「誘導放出」とは何でしょうか?これは、偉大な科学者アインシュタインが 1917 年に提唱したまったく新しい一連の理論に基づいています。この理論では、物質を構成する原子には、異なるエネルギー レベルで分布する異なる数の粒子 (電子) が存在するとされています。高エネルギーレベルの粒子が特定の光子によって励起されると、高エネルギーレベルから低エネルギーレベルにジャンプ（遷移）します。このとき、励起した光と同じ特性を持つ光を放射し、特定の条件下では弱い光が強い光を励起することがあります。これを「誘導放出による光増幅」と呼びます。香港、マカオ、台湾では、誘導放出光はレーザーと呼ばれることが多いのですが、私たちは銭学森氏の提案に従ってレーザーと呼んでおり、こちらの方がより適切な翻訳です。つまり、レーザーとレーザー発振は同じものです。 （レーザーの秘密をもっと知りたい場合は、こちらをクリックしてください：学者がレーザーの過去、現在、未来について語ります）

いくつかのSF映画の影響で、レーザーが非常に強いエネルギーを持つ一種の光であることは誰もが知っています。保温効果があります。通常の300mWのレーザーペンは、近距離で紙を燃やすことができます。病院では、毛やそばかすを除去するためにレーザーを使用し、網膜を溶接するためにもレーザーを使用します。産業で使用される強力なレーザーは、硬い鋼板を貫通することができます。世界で最も硬い物質であるダイヤモンドでさえ、レーザーを使って切断したり研磨したりすることができます。

図3: レーザー切断機が鋼板を切断している様子 (出典: Veer Gallery)

レーザーのこの特性は、科学者が核融合を研究するために利用されています。科学者たちは強力なレーザー光線を複数使用して、重水素と三重水素で満たされた燃料コアに同時に照射します。非常に多くのレーザー光線の作用により、燃料コアの温度は1億度を超えることがあり、これは太陽の中心部の温度の5～6倍に相当します。これは人類が作り出した世界最高気温です。燃料コアにかかる圧力は地球の大気圧の1000億倍です。燃料コアに点火し、重水素と三重水素が核融合反応を起こし、莫大なエネルギーを放出します。

上記のアプリケーションはすべて、レーザーの高輝度と高集中エネルギーの特性を活用していることがわかります。しかし、このような「熱い」レーザーは原子を極低温まで冷却することもできることをご存知でしたか?これはとても信じられないし、直感に反するように思えます。

レーザーには原子を凍らせる力がある

さて、レーザー冷却の仕組みを説明する前に、まず「熱い」とはどういう意味かを知る必要があります。

浴室でシャワーヘッドを使って心地よい熱いシャワーを浴びているとき、「ポタポタ」という音がして、浴室の天井に落ちた冷たい水滴が地球の重力の影響に耐えられずあなたの上に落ちてきて、ひどく刺激を与えることを想像してみてください。なぜこれらの水滴はシャワーヘッドから噴射される水ほど熱くないのかと不思議に思わざるを得ません。 「熱」の本質とは何でしょうか？この疑問は長い間人類を悩ませてきました。 18 世紀に、ロモノーソフという科学者がついに答えを出しました。熱は物質内の分子運動の現れなのです。そのため、シャワーヘッドから噴射されるお湯の中の水分子は、浴室の天井にある小さな水滴の中の水分子よりも速く動いていると考えられます。

図4 浴室の水滴（出典：veer Gallery）

物体の「熱」の性質を理解した後は、それを「冷やす」方法もわかります。物体内部の分子の移動速度を遅くすれば、目的を達成できます。

実際、原子や分子は毎瞬ランダムかつ高速で動いており、私たちはそれを遅くしたいと思っています。これはとても簡単です。彼らは「ブレーキ」をかけることができないので、私たちは彼らが「ブレーキ」をかけるのを手伝うことができます。動きの反対方向に力を加えるだけです。しかし、それらは小さすぎて、指でつかんで減速することはできないので、この願いを叶えるために「小さな手」を見つける必要があります。

誰の「小さな手」が私たちを助けることができるでしょうか？

科学者たちは「光」について考えました。はぁ？このアイデアはうまくいかないようです。なぜなら、科学者たちは火炎放射器でろうそくを吹き消そうとするのと同じように、システムのエネルギーを減らすためにシステムにエネルギーを追加しているように見えるからです。これは機能しますか?

図5 火炎放射器でろうそくを吹き消す（画像出典：著者自作）

もちろん、光は特別なので便利です。質量はありませんが（光子の静止質量はゼロです）、運動量はあります。多数の光子が物体に当たると、その物体に一種の圧力が生じます。この圧力は光圧と呼ばれ、光子が物体に運動量を伝達することによって生じます。ソーラーセイルは推進力として光圧力を利用します。彗星の尾は常に太陽から離れた方向を向いており、太陽の光圧の影響も受けます。

したがって、光子の光圧を利用して移動する原子を減速させることは実行可能な方法です。ある方向に動いている原子が反対方向に動いている光子にぶつかると、光子の運動量が原子に伝わり、原子の動きが遅くなります。これがレーザー冷却の鍵です。

ここで別の質問があるかもしれません。原子が減速すると、さらに多くの光子に衝突され、反対方向に加速し続けるのではないでしょうか?さらに、原子の動きはランダムです。原子と光子の移動方向が同じであれば、原子の方が速く移動するのではないでしょうか。

この質問は非常に意味があります。

実際、原子は特定の波長の光のみを吸収するため、科学者は原子が静止しているときの吸収波長よりわずかに高くなるようにレーザー波長を調整するようにしています。このように、ドップラー効果によれば、原子が光子に向かって移動すると、光の波長が圧縮されます。光の波長が原子の吸収波長と正確に等しくなるまで圧縮されると、原子は光子を吸収し、原子は基底状態から励起状態へと遷移します。原子の移動速度が遅くなり、運動エネルギーが減少します。原子が停止するか、光子と同じ方向に移動すると、原子は光子を吸収しません。

図6 1次元ドップラー冷却の模式図（画像出典：文献[1]）

では、いつものように原子が常にランダムな方向に動いたらどうなるでしょうか?

この問題は簡単に解決できます。反対方向にレーザーを追加するだけです。原子の上部と下部、前面と背面にもレーザーまたはミラーを追加すると、6 つの方向のレーザーが得られ、それらの 6 つの方向の任意の組み合わせで移動する原子を減速させることができます。

図 7 6 方向のレーザーを使用して原子を冷却します (画像ソース: 画像ソース: https://www.newelectronics.co.uk/)

では、レーザー冷却ではどのくらい冷やせるのでしょうか?

実は、科学者たちは実験室の温度を 0.5nK まで下げたことがあります。これはほぼ絶対零度 (-273.15℃) です。しかし、ハイゼンベルクの不確定性原理によれば、粒子の位置と運動量を同時に知ることは決してできないため、絶対零度に到達することは決してできません。したがって、原子の動きを本当に止めることは決してできません。

レーザー冷却で達成できる非常に低い温度、たとえば物体をほぼ絶対零度まで冷却することは、非常に小さな物体を冷凍することによって実現されます。

では、なぜレーザー冷却にこれほど多くの労力を費やすのでしょうか?当初の理由は、さまざまな原子パラメータを正確に測定したい場合、原子を冷却して静かにし（磁気光学トラップなどの手段を使用する必要がある）、従順に制御して観察できるようにするのが最善の方法であるというものでした。ここで、もう一つの理由があります。マクロな物体の量子的な振る舞いを観察したい場合、その物体を極低温に保たなければなりません。

レーザー冷却の応用

レーザー冷却は科学研究の分野で広く利用されてきました。これは、科学者がコヒーレント物質波の波長を観測するのに役立つだけでなく、精密測定、量子情報などの分野の科学者に新たな研究の窓を開きます。

この技術のより現実的な応用は「時間」です。これまで、科学者たちは、原子の超微細構造の遷移エネルギーレベルが非常に安定した遷移周波数を持つという事実を利用して、水晶時計よりも精度が高く、精度誤差が 1 秒 / 300 万年である原子時計を開発してきました。科学者はレーザー冷却技術の助けを借りて、セシウム原子の動きを遅くし、精度誤差を1秒/3億年にまで低減できる冷却原子時計を設計することができます。我が国の天宮2号に搭載された世界初の宇宙冷原子時計は、世界で最も正確な時計です。地球を周回する北斗衛星と連携して、センチメートルレベルの正確なナビゲーションと測位を提供します。

図8 宇宙冷却原子時計（上海光学精密機械研究所が開発、趙完撮影）

レーザーで切断・溶接され、北斗ナビゲーションシステムで誘導される飛行機や車で世界中を旅するとき、その背後にはレーザーが欠かせないものであることを忘れてはならない。

レーザーは科学者にとって本当に良い助けになります。暑いだけでなく、とても涼しいです！

参考文献

[1] 荘維、李天初。レーザー冷却と原子の操作：原理と応用[J]。科学技術評論、2018年、36(05):28-38。

[2] 王玉珠、徐震。レーザー冷却と科学技術におけるその応用[J]。物理学の進歩、2005(04):347-358。

[3] ジ・ヤンレーザー冷凍[J].物理教育, 2014, 36(10): 2-3.

[4]http://www.kepu.net.cn/gb/technology/telecom/fiber/fbr301.html

[5]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247484836&idx=1&sn=3d6c5accb9500f62942595820a2fe623&scene=38#wechat_redirect