フェムト秒レーザーの医療への応用

A フェムト秒レーザーわずか1兆分の1秒程度の超短い時間で光を発する「超短パルス光」発生装置です。 Fei は国際単位系の接頭辞 femto の略称で、1 フェムト秒=1×10^-15 秒を指します。 いわゆるパルス光は一瞬だけ発光します。 カメラのフラッシュの発光時間は約1マイクロ秒なので、フェムト秒の超短パルス光はその10億分の1程度の時間しか発光しません。 誰もが知っているように、光の速度は秒速 300,000 キロメートル（1 秒間に地球を 7 周半）という比類のない速度で飛行します。 しかし、光は1フェムト秒間に0.3ミクロンしか進みません。

通常、私たちは動いている物の一瞬の状態を捉えるためにフラッシュ撮影を行います。 同様に、フェムト秒レーザーを使用してフラッシュすると、猛烈な速度で起こる化学反応のすべての断片を観察することができます。 これを行うには、フェムト秒レーザーを使用して化学反応の謎を研究することができます。

一般的な化学反応は、エネルギーの高い中間状態、いわゆる「活性状態」を経て進行します。 活性化状態の存在は、1889 年には化学者アレニウスによって理論的に予測されていましたが、非常に短時間しか存在しなかったため、直接観察することはできませんでした。 しかし、その存在は 1980 年代後半にフェムト秒レーザーによって直接実証されました。これは、化学反応を正確に特定するためにフェムト秒レーザーを使用した例です。 たとえば、シクロペンタノン分子は活性化状態では一酸化炭素と 2 つのエチレン分子に分解します。

現在では、フェムト秒レーザーは物理学、化学、生命科学、医学、工学などの幅広い分野でも使用されています。 特に光とエレクトロニクスの組み合わせは、通信、コンピュータ、エネルギーの分野でさまざまな新たな可能性を開くことが期待されています。 これは、光の強さによって大量の情報をほとんど損失なくある場所から別の場所に伝送できるため、光通信がさらに高速化するためです。 核物理学の分野では、フェムト秒レーザーが大きな影響を与えています。 パルス光は非常に強い電場を持つため、1フェムト秒以内に電子を光速近くまで加速することができ、電子を加速する「加速器」として利用できます。

医学への応用
前述したように、フェムト秒以内の世界では光すら凍ってしまい遠くまで移動できませんが、この時間スケールでも物質中の原子や分子、コンピューターチップ内の電子は回路内を動き続けています。 フェムト秒パルスを使用すると、即座にパルスを停止し、何が起こるかを調べることができます。 フェムト秒レーザーは、時間を止めるために点滅するだけでなく、金属に直径 200 ナノメートル (1 万分の 2 ミリメートル) ほどの微細穴を開けることもできます。 これは、短時間に圧縮されて内部に閉じ込められた超短パルス光が、周囲にさらなるダメージを与えることなく超高出力という驚異的な効果を発揮することを意味します。 さらに、フェムト秒レーザーのパルス光は、物体の 3 次元画像を非常に詳細に捉えることができます。 立体画像撮影は医療診断に非常に役立ち、光干渉断層撮影という新しい研究分野を切り開きます。 これは、フェムト秒レーザーを使用してキャプチャされた生体組織および生体細胞の 3 次元画像です。 たとえば、非常に短い光パルスが皮膚に向けられます。 パルス光は皮膚の表面で反射され、パルス光の一部が皮膚内に照射される。 皮膚の内部は多くの層で構成されています。 皮膚に入射したパルス光は小さなパルス光として反射されます。 この各種パルス光の反射光のエコーから皮膚の内部構造を知ることができます。

また、この技術は眼の奥にある網膜の立体像を捉えることができるため、眼科医療においても実用性が高い。 これにより、医師は組織の問題を診断できるようになります。 この種の検査は目に限定されません。 光ファイバーを使ってレーザーを体内に送れば、体内のさまざまな臓器の組織をすべて検査することができます。 将来的には、がんになっているかどうかも検出できるようになるかもしれません。

超高精度な時計を実現
科学者らは、可視光を利用してフェムト秒レーザー時計を作れば、原子時計よりも正確に時間を計測できるようになり、数年後には世界で最も正確な時計となるだろうと考えている。 時計が正確であれば、カーナビなどに使われるGPS（全地球測位システム）の精度も大幅に向上します。

なぜ可視光で正確な時計を作ることができるのでしょうか? すべての時計は、振り子や歯車の動きに欠かせないものです。 正確な振動数の振り子の揺れによって歯車が数秒回転します。正確な時計も例外ではありません。 したがって、より正確な時計を作るためには、より高い振動周波数の振り子を使用する必要があります。 クォーツ時計（振り子の代わりに水晶振動を利用する時計）は、1秒間に水晶振動子がより多く振動するため、振り子時計よりも正確です。

現在標準時として使われているセシウム原子時計の発振周波数は約9.2ギガヘルツ（ギガヘルツの国際単位の接頭辞、1ギガヘルツ= 10^9）です。 原子時計はセシウム原子の固有振動数を利用し、振り子を振動数が一定のマイクロ波に置き換えたものです。 その精度は数千万年にわずか1秒です。 対照的に、可視光の発振周波数は、マイクロ波発振周波数の 100,{6}} ～ 1,000,000 倍です。 つまり、可視光エネルギーを使用して、原子時計よりも数百万倍も正確な高精度時計を作成できるのです。 可視光を使用した世界で最も正確な時計が実験室で構築されることに成功しました。

アインシュタインの相対性理論は、この正確な時計の助けを借りて検証できます。 このような正確な時計を 1 台を研究室に、もう 1 台を階下のオフィスに置き、考えられる状況を検討しました。 1 ～ 2 時間後、結果はアインシュタインの相対性理論の予測どおりでした。 この 2 つのフロアの間には異なる「重力場」があるため、2 つの時計は同じ時間を指すことができなくなり、下の階の時計は上の階の時計よりも遅く進みます。 もっと正確な時計が使われていれば、おそらく手首と足首に着けた時計さえも、その日の異なる時刻を示すことになるでしょう。 正確な時計の助けを借りて、私たちは相対性理論の魅力を簡単に体験することができます。

光速減速技術
1999年、米国ハバード大学のライナー・ハウ教授は、光を車が追いつける速度である秒速17メートルまで減速し、さらに自転車でも追いつくことができる速度まで光を減速することに成功した。 この実験には物理学の最先端の研究が含まれています。 この記事では、実験成功の鍵を 2 つだけ紹介します。 1 つは、絶対零度 (-273.15 度) に近い極低温のナトリウム原子の「雲」、つまりボース・アインシュタイン凝縮と呼ばれる特殊な気体の状態を構築することです。 もう 1 つは振動周波数を調整するレーザー (コントロール レーザー) で、それを使用してナトリウム原子の雲を照射すると、信じられないことが起こります。

科学者はまず制御レーザーを使用して原子雲内のパルス光を圧縮し、速度を極端に遅くします。 その後、制御レーザーがオフになり、パルス光が消えます。 パルス光で運ばれる情報は原子雲に保存されます。 。 その後、制御されたレーザーが照射され、パルス光が復元されて原子雲から出てきます。 その結果、元々圧縮されていたパルスが再び広がり、速度が回復します。 パルス光情報を原子雲に入力するプロセス全体は、コンピューターでの読み取り、保存、リセットと非常に似ています。 したがって、この技術は量子コンピュータの実現に貢献することができます。

「フェムト秒」の世界から「アト秒」の世界へ

フェムト秒は私たちの想像を超えています。 私たちは今、フェムト秒よりも短いアト秒の世界に足を踏み入れています。 Ah は国際単位系の接頭辞「atto」の略称です。 1 アト秒=1×10^-18 秒=フェムト秒の 1000 分の 1。 アト秒パルスを可視光で作ることはできません。パルスを短くするには、より短い波長の光を使用する必要があるからです。 たとえば、赤色の可視光を使ってパルスを作りたい場合、その波長より短いパルスを作ることはできません。 可視光は約2フェムト秒が限界であるため、アト秒パルスではそれより短い波長のX線またはガンマ線が使用されます。 アト秒 X 線パルスを使用して将来何が発見されるかは不明です。 たとえば、アト秒フラッシュを使用して生体分子を視覚化すると、非常に短い時間スケールでその活動を観察でき、場合によっては生体分子の構造を特定することができます。

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