自由電子レーザー：オングストローム波長の内殻励起アト秒レーザー発振

レーザーの発明以降、光学領域においてフィラメンテーション、ラビ振動、集団的発光などの非線形効果が研究され、幅広い科学的応用や産業的応用につながっている。硬X線レーザーにはオングストロームスケールの空間分解能と元素特異性という利点があるため、X線自由電子レーザー（XFEL）によって多くの光学技術がX線に拡張されている。その一例が、ネオンから銅までの元素におけるXFEL励起内殻Kα₁（2p_3/2 → 1s_1/2）X線レーザー発振で、非線形分光法や新しいX線レーザー源の開発に用いられている。今回我々は、銅とマンガンの高強度（> 10¹⁹ W cm⁻²）XFEL励起Kα₁レーザー発振時に、光学領域で起きているものと同様のレーザー発振効果が波長1.5～2.1 Åで生じ得ることを見いだした。励起に使われたXFELパルスの時間的サブ構造に応じて、発生したX線レーザー（光子数約10⁶～10⁸個）は、強い空間的不均一性やスペクトルの分裂、不均一性、広がりを示した。三次元のマクスウェル–ブロッホ計算によって、観測された空間的不均一性はX線フィラメンテーションに起因し、広いスペクトル特性はサブフェムト秒ラビ振動によって駆動されることが明らかになった。今回のシミュレーションモデルでは、このX線レーザーは、100アト秒未満のパルス発生が可能で、さらなる量子X線光学への応用が可能となるコヒーレンスを持っていることが明らかになった。

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