上海シンクロトロン放射光源が分子の写真を撮る

制作：中国科学普及協会

著者: デジタルワールド

プロデューサー: 中国科学博覧会

光は現代社会において昼も夜も私たちに付き添ってくれる友人です。どんなライトを知っていますか?日光？ライト？実際、宇宙にはさらに多くの光があり、その機能は人間に照明を提供するだけではありません。

今日は、大規模な科学施設における一連の珍しい先進的な光源についてお話ししたいと思います。

赤、紫、柔らかい、硬い...あらゆる種類の光

光のおかげで私たちは目の前の世界を見ることができます。私たちは宇宙の謎を探求するために、もっと遠くまで見たいと思っています。タンパク質の内部構造をより深く観察したいのです。

人間の目に見える光は可視光と呼ばれます。光の大きなグループの中で、可視光はほんの一部を占めるにすぎません。科学では、光は実際には電磁波であると信じられています。周波数と波長の違いにより、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線、軟X線、硬X線、ガンマ線に分類されます。

電波の助けにより、天文学者は遠く離れた未知の惑星を探索することができ、レーダーマイクロ波の助けにより、兵士は数百キロ離れた航空機を視認することができ、X線の助けにより、医師は患者の骨や内臓を透視することができます。

したがって、光は科学技術にとって特に重要です。下の世界光源マップからわかるように、世界の科学技術大国は、さまざまな種類の光源施設の建設において比較的完全なレイアウトを持っています。我が国でも同じことが言えます。

明るい領域は主に北米、西ヨーロッパ、東アジア、南アジアとその沿岸平野に位置しています。アフリカ、オセアニア、中央南アメリカでは明るさが低くなります。

画像提供: NASA

現在、我が国の大規模光源としては、シンクロトロン放射光源、自由電子レーザー、超高強度超短パルスレーザーなどがあります。

地理的分布の面では、上海、合肥、大連に光源が建設されており、第4世代の北京光源（高エネルギーシンクロトロン放射光源、懐柔）も建設中であり、高エネルギー、中エネルギー、低エネルギー光源の協​​調配置の良好な状況を形成しています。

分子の写真を撮るためのシンクロトロン放射源

2021年6月28日午前、中国共産党成立100周年を機に、国家発展改革委員会の支援を受け、中国科学院高エネルギー物理研究所が建設した高エネルギーシンクロトロン放射源（HEPS）の科学研究設備第1号機が設置された。同時に、そのための技術的な研究開発および試験支援機能を提供する「先端光源技術研究開発試験プラットフォーム（PAPS）」も試験運用を開始した。

シンクロトロン放射が物質に照射されると、さまざまな効果が発生しますが、それぞれの効果は物質自体の物理的または化学的特性と密接に関係しています。

したがって、放射光を利用して物質を観測することで、物質の内部構造や物質内の電子間の相互作用を正確に調べることができます。比喩的に言えば、シンクロトロン放射は分子の「写真を撮る」ことができます。

2009年、上海に世界クラスの光子科学センターが建設され、わが国の多くの分野の急速な発展を著しく促進し、これまで中国では実施できなかった多数の実験を中国で実施できるようにし、多くの分野に不可欠な実験条件を提供しました。

上海光源

画像提供: 上海シンクロトロン放射施設

科学者たちはこの光源を利用して、エボラウイルスの研究、H5N1型鳥インフルエンザウイルスの構造分析、触媒の構造の特徴付け、効率的なメタン変換に関する研究の飛躍的進歩など、多くの大きな成果を達成しました。

世界で最も強い光は中国の上海にある

さらに、超高強度レーザーと超短レーザーは、人類が知る最も明るい光源であると考えられています。これらは国際レーザー技術における最新の開発最前線と重要な競争領域であり、大きな科学的、技術的意義と応用価値を持っています。

たとえば、超強力で超短パルスのレーザーは、反物質の生成や暗黒物質の検出、天体物理学や宇宙の起源の研究などに使用できます。

2017年10月、上海超強超短レーザー実験施設（SULF）は世界初となる10ペタワットのレーザー増幅出力を達成しました。

画像出典：The Paper

1ペタワットが何なのかわからないかもしれません。 1ペタワットは、世界の電力網の平均電力の500倍に相当します。 10ペタワットのレーザーを10ミクロンに焦点を合わせると、得られる光の強度は、地球表面の太陽光すべてを髪の毛に「焦点を合わせる」のと同等の10倍になります。

2019年11月には世界最高のピーク出力と繰り返し率12.9ペタワットのレーザーの出力に成功し、レーザー発明以来5番目のマイルストーンとして称賛された。この装置は、中国科学院が独自に開発した直径235mmの大型チタンサファイア結晶を使用しており、現在世界で知られている最大口径のレーザー増幅結晶です。

さて、今日の「光を追い求める旅」はここで終了です。私たちはここで止まりますが、光学分野における科学者の探究は止まりません。人類の利益となるさらなる科学的研究成果が将来的にも期待されます。