2022 年 12 ⽉ 13 ⽇
報道関係者各位

国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
国⽴⼤学法⼈東京⼯業⼤学

極短い電⼦線パルスの簡便で汎⽤的な評価⼿法を開発〜テラヘルツ波の低周波成分を効果的に活⽤〜極めて短い（ここでは 1 兆分の 1 秒以下の時間スケール）パルス幅を持つ電⼦線は、物質中の原⼦や分⼦の瞬間的な運動を観測するために⽤いられてきました。この計測技術は、５Ｇを上回る⾼速な情報通信の発展などに貢献すると期待されています。計測の時間分解能は電⼦線のパルス幅によって決まります。しかし、極めて短いパルス電⼦線のパルス幅を評価する⼿法は限られており、汎⽤的かつ簡便に評価する⼿法はありませんでした。
⼀般的に電⼦線パルスは、パルス幅が短くなるほど評価が難しくなると考えがちです。ところが、テラヘルツ波（電波と光の中間的な電磁波）を⽤いたストリーキング法（時間的に変化する電場で電⼦を曲げて、そのプロファイルを計測する⼿法）では、10 兆分の 1 秒以下のパルス幅の電⼦線パルスを評価することはできましたが、それより⻑いパルス幅の電⼦線パルスを評価することはできませんでした。本研究では、テラヘルツ波を⽤いたストリーキング法で得られたシグナルの低周波成分をうまく解析すれば、10 兆分の 1 秒以上の電⼦線パルスを評価できることを⽰しました。さらに、本⼿法に必要なテラヘルツ波の強度は数 kV/cm 以下と弱く、真空装置の中に特殊な計測セットアップを構築しなくても、1 兆分の１〜10 兆分の 1 秒程度の時間スケールの電⼦線パルスを評価可能な汎⽤的で簡便な⼿法であることを⽰しました。
本⼿法は、世界中で開発されているさまざまな電⼦線源のパルス幅を計測する上で極めて重要です。
テラヘルツ波とパルス電⼦線を利⽤するので、テラヘルツ波が照射された誘電体中の原⼦や分⼦の運動の観察などにも利⽤可能です。また、将来的には 100 兆分の１秒以下の時間分解能での計測が可能な装置の開発にもつながることが期待されます。

研究代表者
筑波⼤学数理物質系物理⼯学域
嵐⽥ 雄介 助教
筑波⼤学数理物質系（エネルギー物質科学研究センター）
⽻⽥ 真毅 准教授

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研究の背景フェムト秒（1000 兆分の 1 秒）からピコ秒（1 兆分の 1 秒）のパルス幅を持つ極短パルス電⼦線は、光を当てたときに物質に⽣じる瞬間的な原⼦や分⼦の運動を直接的に観測するために使われてきました。
これらの計測の時間分解能は電⼦線のパルス幅によって決まります。この極短パルス電⼦線のパルス幅を評価する⼿法としては、真空中で発⽣させたプラズマと電⼦線の相互作⽤を⽤いるもの、ポンデロモー
ティブ⼒注１）によって電⼦を散乱させる⼿法、瞬間的な電場を⽣じさせて電⼦を偏向させる⽅法（ストリーキング法注 2））などが考案されてきました。しかし、これらの⽅法にはパルス幅によって使える⼿法が限られている、あるいは複雑な光学系を真空装置内に⼊れないといけないという問題点があり、汎⽤的に評価する⼿法はありませんでした。簡便かつ汎⽤的に極短パルス電⼦線のパルス幅を評価する⼿法が求められていました。
研究内容と成果
本研究チームは今回、ピコ秒のパルス幅を持つテラヘルツ波注 3）を共振器に導⼊することでできる瞬間的な電場を⽤い、電⼦線を時間的に偏向する（ストリーキング法）ことで、電⼦線のプロファイルを計測し、そのパルス幅の評価を⾏いました（図１、図２）。
通常、パルス電⼦線は真空装置内で発⽣し、物質と相互作⽤することで検出されます。従って、パルス電⼦線を評価するための光学系は、真空の中に設置することが多かったのです。⼀⽅、テラヘルツ波を⽤いたストリーキング法では、パルス電⼦線を評価するための光学系を真空装置の外に置くことができるため、装置の⾃由度が⾼いのが特徴でした。
ストリーキング法では、時間的に変化する電場でパルス電⼦線を偏向し、そのスクリーン上での偏向⾓をパルス幅として換算することで、そのパルス幅を評価します。その際、共振器内で形成される電場の周波数の半周期以上のパルス幅を持つパルス電⼦線は、スクリーン上において同じところに記録されるため、評価が困難となります。このため、テラヘルツ波を⽤いたストリーキング法では従来、共振器内で形成される電場の周波数の半周期以下のパルス幅（10 兆分の 1 秒以下）の電⼦線しか評価することができませんでした。
本研究チームは、テラヘルツ波を⽤いたストリーキング法で得られた結果に関して、テラヘルツ波に含まれるより低周波成分に注⽬し、この低周波成分による電⼦線の偏向成分だけを取り出して解析することで、10 兆分の 1 秒以上のパルス幅を持つ電⼦線の評価が可能であることを⽰すことに成功しました（図３、図４）。また、テラヘルツ波を⽤いたストリーキング法に必要なテラヘルツ波の強度は、数 kV/cm 以下と⽐較的弱くてもよいということを⽰しました。
今後の展開
パルス電⼦線は、パルス電⼦線そのものを利⽤する超⾼速時間分解電⼦線回折実験注４）のみならず、⼤型の放射光施設でも、パルス電⼦線をパルス X 線に変換するなどして広く物質の構造解析や瞬間的な動的構造の解明に利⽤されています。従って、パルス電⼦線のパルス幅を簡便にかつ汎⽤的に評価できる本⼿法は、世界中で開発されているさまざまな電⼦線源のパルス幅を計測する上で極めて重要です。また、テラヘルツ波は瞬間的な電場と考えることもでき、テラヘルツ波によって物質中の原⼦や分⼦は誘電応答を⽰すことがよく知られております。本装置は、テラヘルツ波とパルス電⼦線を利⽤するので、テラヘルツ波が照射された誘電体中の原⼦や分⼦の運動の観察などにも利⽤できます。さらに、テラヘルツ波を⽤いたストリーキング法を時間分解電⼦線回折実験に応⽤することにより、将来的には 100 兆分の 1 秒以下の時間分解能で光照射による原⼦、分⼦の運動を計測可能な装置の開発などにもつながります。すな2

わち、本研究は現在注⽬されているペタヘルツ領域注５）における、電⼦や原⼦、分⼦の動きを⾒る装置の原理を確認することができたと⾔えます。
参考図

図1

THz ストリーク法によるパルス電⼦線の特性評価

図 2 本研究で開発した装置の概要図3

図 3 短いパルス幅(a)と⻑いパルス幅(b)の電⼦線で⽣じる偏向の違い

図 4 テラヘルツ電場によって⽣じた電⼦線の偏向⾓(a)とその理論計算結果(b)、左パネルが時間的な変化で右パネルがそのフーリエ変換注６）

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⽤語解説
注１）

ポンデロモーティブ⼒

強度が⼀様でない電磁場によって荷電粒⼦（ここでは電⼦）が感じる⼒をポンデロモーティブ⼒という。短いパルス幅を持つレーザーを強集光することで⽣じた強い電場によってポンデロモーティブ⼒を形成し、その⼒で電⼦を散乱させることで電⼦線のパルス幅を計測することが可能である。
注２）

ストリーキング法

時間的に変化する電場によって荷電粒⼦（ここでは電⼦）を偏向し、スクリーン上でその偏向⾓を計測することで荷電粒⼦のパルス幅を計測する⼿法。
注３）

テラヘルツ波テラヘルツは周波数にして 1012(１兆)ヘルツの領域で、テラヘルツ波は波⻑が約 30〜3000 μm（μｍは 100 万分の１メートル）程度の電波と光の中間的な電磁波。
注４）

超⾼速時間分解電⼦線回折法

光照射によって⽣じる瞬間的な原⼦・分⼦の周期構造の変化を直接的に観測することが可能な測定⼿法で、得られた構造変化を時系列順につないで、「分⼦動画」を撮影する。
注５）

ペタヘルツ域周波数にして 1015 (1000 兆)ヘルツの領域で、時間としていわゆるフェムト秒と⾔われる領域。5G 周
波数の 10 万倍以上⾼速の電気デバイスの動作原理となる可能性が⾼いとされる周波数領域。
注６）

フーリエ変換元の関数を周波数領域表現（関数や信号を周波数に関して解析すること）に写す変換。
研究資⾦
本研究は、⽇本学術振興会(JSPS)科学研究費補助⾦基盤研究(B)「動的機能を有する物質開拓のための超⾼速三次元構造ダイナミクス（代表者：⽻⽥ 真毅）」、 科学研究費補助⾦基盤研究(A)「THz 波共鳴型
電⼦波パルス圧縮を⽤いたフェムト秒⾛査電⼦顕微鏡可視化技術の創出（代表者：藤⽥ 淳⼀）」、科学研
究費補助⾦特別推進研究「光と物質の⼀体的量⼦動⼒学が⽣み出す新しい光誘起協同現象物質開拓への挑戦（代表者：腰原 伸也）」などの⽀援を受けて⾏われました。
掲載論⽂【題名】Streaking of a Picosecond Electron Pulse with a Weak Terahertz Pulse.
（弱いテラヘルツ波を⽤いたピコ秒電⼦線パルスのストリーク実験）【著者名】 ⽮嶋渉（筑波⼤学 ⼤学院 M2）、嵐⽥雄介（筑波⼤学 助教）、⻄森亮太（筑波⼤学 B4）、
江本悠河（筑波⼤学 ⼤学院⽣（当時））、⼭本祐揮（筑波⼤学 ⼤学院⽣（当時））、川﨑康平（筑波⼤学 ⼤学院 M1）、齋⽥友梨（筑波⼤学 ⼤学院 M1）、鄭サムエル（筑波⼤学 助教）、⾚⽥圭史（筑波⼤学 助教）、⽥久保耕（東京⼯業⼤学 特任助教）、重川秀実（筑波⼤学 教授）、藤⽥淳⼀（筑波⼤学 教授）、腰原伸也（東京⼯業⼤学 教授）、吉⽥昭⼆（筑波⼤学 准教授）、⽻⽥真毅（筑波⼤学 准教授）
【掲載誌】 ACS Photonics【掲載⽇】 2022 年 12 ⽉ 13 ⽇
【DOI】

DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01304

5問合わせ先【研究に関すること】
嵐⽥ 雄介（あらしだ ゆうすけ）
筑波⼤学数理物質系物理⼯学域 助教
URL: https://dora.bk.tsukuba.ac.jp/
⽻⽥ 真毅（はだ まさき）
筑波⼤学数理物質系 エネルギー物質科学研究センター 准教授
URL: https://hadamasaki.com【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報局
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp
東京⼯業⼤学 総務部 広報課
TEL: 03-5734-2975
E-mail: media@jim.titech.ac.jp

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