プラズマ物理学：極限場生成に向けて効率最適化された相対論的プラズマ高調波

相対論的に振動するレーザープラズマからの高輝度の高調波放射は、極限電磁場を生成するための直接的な経路をもたらす。理論からは、最適化された条件下で、プラズマ媒質はコヒーレント高調波集束（CHF）におけるレーザーエネルギーの強力な時空間圧縮を支えることができ、これにより入射する駆動レーザーパルスより数桁大きい強度増強がもたらされると予測されている。回折限界性能（空間圧縮）やアト秒位相同期（時間圧縮）が実験によって実証されているものの、相対論的な強度のレーザーパルスエネルギーを、円錐状に放出される高調波に効率的に結合させることは、現状では実現されていない。今回我々は、この高度に非線形の相互作用を個別に調整して、シミュレーションから予測される最大変換効率を実現できることを実証する。駆動レーザーの時間プロファイルをサブピコ秒（10⁻¹² s未満）の時間スケールで精密に調整することにより、第12高調波から第47高調波の間で9 mJ超のエネルギーが観測された。こうした結果は、理論的に予測されている高調波次数への効率依存性と一致しており、生成過程において最適条件が実現されたことを裏付けている。これは、CHFから期待される強度増強の実験的実現に要求される重要な最終要素である。時空間圧縮と最適効率を同時に得ることは依然として困難であるものの、量子電磁力学の臨界場（10¹⁶ V cm⁻¹超、または10²⁹ W cm⁻²超におけるシュウィンガー限界）に迫る極限光場強度を実現する道が今回開かれ、これによって量子真空の全光学的研究や、高強度アト秒科学に向けた新たなフロンティアが可能となった。

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