3,000日以上にわたって、彼は「夢の光」を「現実の光」に変えました。

著者: 張双湖

2019年1月11日午前3時、中国科学院上海光学精密機械研究所（以下、上海光学精密機械研究所）高場レーザー物理国家重点実験室から歓声が上がった。

この歓声は、同研究所の研究員である王文涛氏が率いるチームが、3000日以上にわたる懸命な努力の末、「夢の光」を「現実の光」に変えたことを意味している。

インスピレーションが努力に対する報酬であるならば、イノベーションは夢を追い求める人々への励ましとして捉えられるかもしれません。

最近、2021年中国科学院年間イノベーター賞を受賞した王文濤氏は、世界をリードするこの画期的な成果は「チームの懸命な努力と残業の結果であるだけでなく、さらに重要なのは、物理的メカニズムの深い探究に基づく継続的な実験、たゆまぬ追求、そしてたゆまぬ革新の結果である」と冷静に述べた。

日々の仕事におけるイノベーション

上海光学精密機械研究所の高磁場レーザー物理国家重点実験室の入り口にある LED ディスプレイ画面には、「300 日間残業して、光が見えるまで帰らない」というスローガンが目を引く。

王文濤氏は中国科学日報に対し、「2013年に研究所が建設されるとすぐに、私たちはこの誓約をした」と語った。

2012年、王文涛は若いチームを率いて、レーザーテールフィールド電子加速と新しいデスクトップ放射源の研究を開始しました。

彼は最初から、この研究を行うということは、長い間「ベンチ」に座っていることを意味することをはっきりと認識していました。論文を発表したり特許を取得したりできないだけでなく、昇進して同僚から認められるまでの時間もずっと長くなるでしょう。

当時、上海光学精密機械学院はこの若者グループを非常に支援し、彼らの不安を和らげるためにあらゆる手段を講じました。チームはこの力強いスローガンを使って、全力を尽くす決意を表現しました。

「『300日』というのは比喩的な表現だ」と王文涛氏は語った。「1年は365日ありますが、残業する日数は実際には300日をはるかに超えています。」

レーザーテールフィールド電子加速の研究は繊細な「調光」プロセスを伴うため、夜間の静かな環境の方が実験に適しているため、残業が当たり前となり、基本的に毎日夜遅くまで忙しい。

自由電子レーザーは3つのステップに分かれています。

1つはレーザードライブを使用することです。レーザーチームは毎日レーザーを準備して調整し、ガス分子に焦点を合わせ、電子を励起してマイクロ波場を生成します。

2つ目は調光の質です。

3つ目は、電子ビームを安定化し、長距離伝送を実現して発光を実現することです。

「マイクロ波場は、海上を高速で航行する船の航跡のようなもので、電子を引き寄せて一緒に前進します。光の速度は非常に速いため、電子を光速に近づけ、より高いエネルギーを得ることができます。」

王文涛氏は次のように説明した。「レーザーグループが光を調整するのに2時間かかり、それを安定させて伝送するのにさらに4～5時間かかります。このプロセスは非常に退屈で、毎日繰り返さなければなりません。さらに、前方のわずかな揺れやずれによって、電子ビームが後方に伝送されなくなります。」

こうして彼らは、当初は2、3年で完成できると思っていた仕事を、5、6年かけて毎日毎日「磨き」続けたのです。

「このプロセスでは多くの革新が行われました。」

王文涛氏は、この研究を完了するには、まずレーザープラズマの不安定性、強力レーザーの非線形効果の不安定性、小規模加速器の物理的限界など、いくつかの従来の物理的問題を克服しなければならないと考えています。

同チームは、「カスケード・テールフィールド」「勾配注入」「協調注入」「チャープ補償」などさまざまな方式を提案・実証し、カスケード・テールフィールド加速機構を検証し、世界最高品質（最先端の線形加速器に近い明るさ）のレーザー駆動電子ビームや世界最小のエネルギー分散（0.2千分の1）など、世界をリードする多くの成果を達成し、この分野における追随から先導への転換を実現した。

物理的な問題を深く掘り下げ、原理から始めて、正しいアプローチを見つけ、先駆的な解決策を提案し、巧みな実験と技術的手段を通じてこれらの解決策を実行すること、これが王文涛のチームが長年にわたり「イノベーション」という言葉を理解してきた方法です。

「現代物理学の発展により、基本的な物理原理や物理システムにおける革新は現れないかもしれないが、実験技術や実験計画におけるさらなる革新と改善がなされるだろう。」

王文涛氏は「これは方法の革新、あるいは技術の革新と呼べるかもしれない。重要なのは、適切な参入点を見つけることだ」と語った。

最初の光が現れる

2004年、米国、フランス、英国などの科学者らは、実験において初めてレーザー航跡場内で電子を加速するという画期的な成果を達成した。

この成果がネイチャー誌の表紙記事として報告されたとき、使用されたタイトルは「ドリームビーム」でした。

「『夢光線』には二つの意味がある」と王文涛さんは言う。「一つは夢の中の完璧な加速であり、もう一つは夢の中にまだ存在しているがまだ実現されていない加速器です。科学界は、粒子加速器は将来小型化されるはずだと考えています。」

レーザー航跡場により加速器の小型化が可能になります。

それ以来、レーザー航跡場加速器によって駆動される小型自由電子レーザー、特にX線帯域の自由電子レーザーは、この分野の科学者が追求する共通の最先端分野となりました。

2018年、王文涛氏のチームは、繰り返し率100%の単一エネルギー電子ビームを生成する安定したデスクトップレーザー電子加速器の開発に成功しました。

物理学者たちは、これはネイチャー誌の「ビジョン2020」特集号で予測されたレーザー分野における5つの大きなブレークスルーの1つである「ベンチトップ粒子加速器」が予定より早く達成されたことを示していると考えている。これはまた、我が国が、ベンチトップ粒子加速の分野において、実験から機器への最も重要な移行の実現を主導したことを意味します。

2021年、王文涛氏のチームはレーザー航跡場によって加速された電子ビームの品質を大幅に向上させ、革新的に設計されたコンパクトなビーム伝送および放射システムと組み合わせて、レーザー加速器に基づく初の自由電子レーザー増幅出力を実現しました。一般的なレーザー波長は 27 ナノメートルで、最短レーザー波長は 10 ナノジュールに達し、単一パルスエネルギーは 100 ナノジュールに達します。軌道オフセットや自発放射校正などの手法により、アンジュレータ最終部でのエネルギー利得が100倍にも達することが実証され、レーザー電子加速器による極端紫外線帯域での自発放射増幅出力の実現は世界初となる。

「私たちはすでに原理実証を完了し、ゲイン増幅を実現しました。これはほんの第一歩に過ぎず、まだ自由電子レーザーが完成したとは言えません。」

王文涛氏は「2004年にネイチャー誌に掲載された記事は、小型加速器の『夜明け』とみなされた。我々の成果は『最初の光線』に相当するが、まだ最強の光ではない」と語った。

「小型化」の夢に近づく

2021年7月22日、王文涛氏のチームの研究成果がネイチャー誌の表紙に掲載された。

同時に掲載されたネイチャーとサイエンスのコラムでは、「今回の成果は、2004年の『ドリームビーム』の報告以来、レーザー航跡場の分野における新たなマイルストーンとなる。研究者たちに多大な影響を与える、大きな進歩だ」と評されている。「これは大きな前進です！」

大型コンピュータから各種ハンドヘルド端末まで、サイズが縮小する一方で計算能力は急速に向上しています。

同様に、数十キロメートルにも及ぶ大型加速器の規模は、極めて「贅沢な」科学研究装置となります。

「小型化は、より強力になるためでもあります。集積回路が急速に発展したように、人々がパソコンや携帯電話を手に入れた後も、スーパーコンピュータは必要でした。加速器のサイズを小さくして初めて、可能なスペースでより強力な機能を実現できます。」

王文涛氏は「宇宙では非常に高エネルギーの電子が発見されている。現時点では、このような高エネルギーの電子を地球上で実現することはできない。将来的には、高加速勾配方式を使用して、このような宇宙粒子をシミュレートする予定だ」と語った。

粒子の衝突や基礎物理学の問題の研究に加えて、加速された高エネルギー粒子は、生産や生活におけるさまざまな用途の放射線源としても使用できます。

現在、レーザー航跡場電子加速器の使用により、10メートルの速度が達成されています。「従来は数十キロメートルの加速を必要とした速度が、今ではわずか十数メートルで達成できる。」

「今後、自由電子レーザーの出力と光子エネルギーをさらに向上させ、性能を確保しながらデスクトップ型自由電子レーザーの開発に取り組んでいきます」と王文涛氏は述べた。