特別解説

● 2018 年ノーベル賞を読み解く 物理学賞

革新的な光技術をもたらした“光ピンセット”と“高強度超短パルスレーザー”

1

2018年のノーベル物理学賞は，「レーザー物理の分野における革新的な発明」という授 賞 理 由 で，Arthur Ashkin 博 士，Gérald Mourou

博士，Donna Strickland 博士の 3 氏に授与されることが決まった．Ashkin 博士は「光ピンセットとその生物システムへの応用」の研究が，Mourou 博士とStrickland 博士は「高強度超短光パルスを発生する手法」の研究が評価されたものである．

増原

1

宏 ・中島信昭

2

台湾 国立交通大学理学院・2 大阪市立大学大学院理学研究科

誕生から約 60 年を経た今日，レーザーを駆使した科学技術はますます広がりを見せている．ここでは，化学ともかかわりが深い今回の物理学賞について解説する．

光ピンセットの原理と Ashkin 博士の貢献
光 ピ ン セ ッ ト の 開 発 者 で あ る Arthur Ashkin 博 士 は，1960 年代には非線形光学，フォトリフラクティブ材料などの研究をしていたが，1970，1971 年に集光レーザービー
ムが微粒子に誘起する光圧に関する論文を立てつづけに発表し 1），それをもとに 1986 年，光ピンセットのアイデアを広がるレーザー科学実証した 2）．すなわち，水溶液中に高分子微粒子を分散させ，連続発振レーザーを開口数の大きいレンズで顕微鏡下に集光今回受賞したアメリカの Ashkin 博士は現在 96 歳，ノー

すると，微粒子は焦点に捕捉されるというアイデアである．

ベル賞の栄誉に輝いた人物として史上最高齢となった．カ

その原理を図 1 に示す．光が微粒子の界面で屈折するとき，

ナ ダ の Strickland 博 士 は Marie Curie（1903 年 ），Maria光の進む方向が変わって運動量が変化するが，運動量保存則

Göppert-Meyer（1963 年）に次いで史上 3 人目の女性のノーベル物理学賞受賞者になるが，彼女が大学院生のときに共同レーザー光受賞者であるフランス人の Mourou 博士とともに行った研究の成果が今回の受賞につながった．

T. H. Maiman がルビーロッドを光励起し，レーザー発振B対物レンズにはじめて成功したのが 1960 年のことである．その二十数f FA年後，Ashkin 博士が光ピンセットの提案を実証し，MourouF博士，Strickland 博士がチャープパルス増幅法を考案して高ｰΔ pAp1
微粒子

Δpp2

FB

強度超短光パルスを発生させることに成功した．レーザーのますはら・ひろし ● 台湾・国立交通大学講座教授，大阪大学名誉教授，
1971 年大阪大学大学院基礎工学研究科博士課程修了，＜専門＞光化学，光ピンセットの化学，＜趣味＞旅，モーツアルト聞き流し

なかしま・のぶあき ● 大阪市立大学客員教授，大阪市立大学名誉教授，1974 年大阪大学大学院基礎工学研究科博士課程修了，＜専門＞光化学，高強度レーザー化学，＜趣味＞ジョギング

図 1 集光したレーザー光を用いた微粒子のレーザー捕捉の原理
p1，p2 ＝フォトンの運動量，Δp ＝ p1 ­ p2，FA ＝光線 A のフォトンが発生する光圧，FB ＝光線 B のフォトンが発生する光圧．微粒子の屈折率が周囲の媒質より高い場合，放射圧はレーザー光の焦点位置（ f）の方向を向く．

化学 Vol.73 No.12（2018） 21

特別解説
フォトダイオード
アレイTVモニター

オプティカルファイバー

ポリクロメーター

ビデオ

355 nm

ND
フィルター

CCD
カメラ

元反応，接着，微細加工，光重合，パターニングなどの研究を展開した．光ピンセットの化学研究は世界に先駆けて日本で行われ，その成果
は『マイクロ化学』（化学同人，1993 年）3）にまと

DM1z

視吸収分光，レーザー発振，電気化学的酸化還Q スイッチ
Nd：YAG レーザー

1064 nmDM2

プロジェクトの成果がではじめた 1990 年に，

CW Nd：YAGレーザー

OLx

められている．
研究員だった喜多村昇，三澤弘明，笹木敬司の3 博士（いずれも現北海道大学教授）が Ashkin 博

試料y士をアメリカ・ホルムデルにあったベル研究所

三次元走査テーブルに訪問し，直接議論する機会があった（写真 1）．

Ashkin 博士にはていねいに対応していただき，コンデンサー
レンズ照明装置

図2

また筆者らの成果に対して有益なコメントをいレーザー捕捉・分光・反応装置

ただいた．1997 年に彼は自分の光ピンセットの仕事を総説としてまとめているが 4），光ピンセットの化学研究については増原 ERATO プロに従いその変化分は微粒子に力を与える．光が入射，屈折，ジェクトが行ったとして，筆者らの成果集 5）を引用してくだ

透過する全界面でその力を総和すると，その力は焦点に向いさっている．さらに Ashkin 博士は光ピンセットの将来としており，勾配力と呼ばれる．実際には微粒子は水よりも重いて，マイクロテクノロジー，マイクロマシン，分子モーター，ので，焦点より少し下で保持される．この光捕捉には，微粒遺伝子工学，生物コンピュータなどへの応用をあげていたが，子について光を吸収しないこと，球形であること，屈折率がまさにそのとおり光ピンセットの科学技術はバイオメディカ

水より大きいことなどの条件が必要である．ここでは幾何光ルへの応用を中心に展開がなされてきた．

学的に説明したが，一般的には微粒子のサイズは光の波長よ1990 年代中ごろから，光ピンセットの化学研究の対象は，り大きいときには Mie 散乱として，波長の 10 分の 1 より小単一微粒子・単一液体から溶液中のナノ粒子，高分子，生体さいナノ粒子の場合は Rayleigh 散乱として説明される．

分子，分子クラスターに移行した．これらは集光レーザービー

この力は歴史的には放射圧（現在は光圧・輻射圧とも）と呼ムのサイズより小さいために多数捕捉され，ポテンシャル内ばれ，これにより気体や液中の微粒子を非接触・非破壊的にで集合，会合，組織化・結晶化を示すようになる．これにより，捕捉する手法が開発された．Ashkin 博士は，この「光ピンセッ

光圧特有の相転移，析出，配列などのダイナミクスを，高分ト」を使うことでバクテリアやウイルス，細胞などを三次元的に捕捉・操作・観察できることを報告し，生命科学へのポテンシャルを示した．また化学においては単一微粒子・単一液滴の物性，化学特性についてその 1 粒ごとにサイズ，形状の関数として調べる道が開かれた．

光ピンセットの化学への応用と最近の成果
1988 年に ERATO 増原プロジェクト〔新技術開発事業団（現JST）の創造科学推進事業〕が発足したが，その研究トピックスの一つがこの光ピンセットを駆使した化学の研究であった．
筆者らは光学顕微鏡に複数のレーザー光を導入し，モニターで観察しながら各種の分光測定を行った．その測定装置の基本形の一つを図 2 に示す．溶液中の単一微粒子・単一液滴を 1 粒ずつ焦点に保持し，時間分解蛍光分光，時間分解可22 化学 Vol.73 No.12（2018）

写真 1 Ashkin 博士を囲んで（1990 年）
左 か ら， 喜 多 村 曻 博 士， 三 澤 弘 明 博 士，Ashkin 博 士，E. A.
Chandross 博士〔筆者（増原）の友人．当時，ベル研究所の光化学者であったため，Ashkin 博士を紹介してくれた〕．笹木敬司博士撮影．

革新的な光技術をもたらした“光ピンセット”と“高強度超短パルスレーザー”
ら，高いレーザーエネルギーを得て，それを凸レンズで絞れ子やナノ粒子のサイズ，構造と関連づけて化学的に論ずることができるようになった．また光ピンセットの実験は，通常， ば高強度にできる．さらに，カメラのフラッシュのように短液中で行われてきたが，最近では溶液表面，固体・溶液の界い時間（光パルスという）だけ発振するようにすれば，瞬間的面，液液界面における光捕捉現象が調べられている．たとえではあるがもっと高強度にすることも可能である．しかしそば，アミノ酸の結晶化は不飽和溶液でも誘起され，多形も制のまま増幅を続けると，レーザーを発振する媒体自体が自己御可能であり，同様にタンパク質の結晶化やアミロイド形成破壊を起こしてしまう．なぜなら，物質の屈折率は非線形光へも展開されている．また，光圧に誘起される分子現象を力学効果によって高い強度の光のもとでは大きくなり，集光し学計測，物理計測，分光計測しながら分子論的・電子論的にてますます屈折率が高くなってしまうからである．この自己解明する物理化学的研究や，分子やナノ粒子の集合によって収束が高強度化の壁であった．高強度化していくと，レーザー構造が形成されるダイナミクスを調べ，材料化への展開を図

ビームは凸レンズを経たようになり，その果てはレーザー媒る研究がさかんになっている．体の自己破壊である6）．これを避ける第一の方法は，レーザービームの口径を大きくすることである．大きいシステムでは高強度超短パルスレーザーの原理とMourou 博士，Strickland 博士の貢献

直径 35 cm サイズのレーザーもある．しかし，それだけでは限界は目に見えている．高強度化は十数年の停滞期間のの先述したように，レーザーの発明は 1960 年であるが，当ち，今回のノーベル物理学賞の授賞対象になったチャープパ

時からレーザー光を増幅して高強度にすれば，基礎・応用にルス増幅（chirped pulse ampliﬁcation；CPA）方式の登場によ限らず，科学は大きく発展するだろうと考えられていた．しり一気に解決された 7）．

かし，それから 10 年も経ないうちに高強度化の研究は壁にMourou 博 士 と Strickland 博 士 が 提 案 し た CPA 方 式 でぶつかった．もともとレーザー光はほぼ平行な光線であるかは，パルス幅を広げてレーザー光強度をいったんは小さくし，受賞者略歴 （『化学』編集部調べ）

Arthur Ashkin（アーサー・アシュキン）

ル大学で短パルスレーザーの研究を行い，1973 年にピエール・マ

PHOTO：Reused with permissionof Nokia Corporation.

元ベル研究所研究員，アメリカ科学アカデミー会員

リー・キュリー大学の博士号を取得．博士号取得後はアメリカに

1922 年 ア メ リ カ・ ニ ュ ー ヨ ー ク 州 ブ ル

渡り，カリフォルニア大学サンディエゴ校で博士研究員として研ックリン生まれ．ブルックリンの James究し，1974 〜 1977 年にかけてパリのエコール・ポリテクニーク

Madison High School を 1940 年 に 卒 業のスタッフとして勤務する．その後アメリカ・ロチェスター大学したのち，1947 年にコロンビア大学で物のレーザーエネルギー研究所のスタッフになり，1987 年に同大学

理 学 の 学 士 を，1952 年 に コ ー ネ ル 大 学

光学研究所教授，のちにロチェスター大学教授．1990 年にはロチェで核物理学の博士号を取得する．その間，

スター大学超高速光学科学センターの創立理事長となる．1996 年

1942 〜 1945 年にかけて軍隊に入り，コよりミシガン大学 A. D. Moore Distinguished University Professor，

ロンビア放射線研究所に勤務する．1952 年にベル研究所に入所し， 2004 年に引退し現職．
マイクロ波分野の研究を経て，レーザー研究へ転換する．1992 年

Donna Theo Strickland（ドナ・テオ・ストリックランド）にベル研究所を引退．

Gérard Mourou（ジェラール・ムル）

フランス・エコール・ポリテクニーク名誉教授，アメリカ・ミシPHOTO：© École polytechnique - J.Barande.

ガン大学 A. D. Moore Distinguished University Professor Emeritus

PHOTO：Laurence L. Levin,work-for-hire for The Optical Society.

カナダ・ウォータールー大学准教授

1944 年フランス・アルベールヴィル生まれ．
グルノーブル大学を卒業後，1967 年に同大学で物理学の修士号を取得する．ピエール・マリー・キュリー大学（パリ第 6 大学，現在1959 年カナダ・オンタリオ州ゲルフ生まれ．1981 年，マックマスター大学で工学物理学の学士号を取得し卒業．アメリカ・ロチェスター大学のレーザーエネルギー研究所で博士課程の研究を行い，1989 年に博士号を取得．1988 〜 1991 年カナダ国
立研究所研究員，1991 〜 1992 年ローレはパリ第 4 大学と合併し，ソルボンヌ大学）

ンスリバモア国立研究所のレーザー部門に勤務し，1992 年に先端へ進学してルビーレーザーの周波数変動の光技術・光電子センターに技術スタッフとして勤める．1997 年に研究に取り組む．さらにカナダ・ラヴァー

ウォータールー大学物理学科の助教授に着任し，2002 年より現職．

化学 Vol.73 No.12（2018） 23

特別解説
増幅ののちパルス幅をもとにもどす（図 3）．
チャープは「小鳥・虫のさえずり」という意味

発振器

パルスストレッチ

再生増幅器

多重増幅

パルス圧縮があるが，レーダーの分野では「周波数が時間とともに連続的に変化する」という意味を表している．レーザー光はまったくの単色ではないので，たとえば，ファイバーを通すと赤い（周波数の低い）光は屈折率がより小さいので先に進み，青い（周波数の高い）光が遅れ，結20 fs
76 MHz
7 nJ
増幅率
30万

果としてチャープパルスが得られる．最初の実験では 1.4 km のファイバーが用いられ，広がりはせいぜい 2 倍程度であった 7）．現在では波長により幾何学的な光路差をつくる専用

20 fs
7 nJ
0.35 MWの回折格子が開発され，5000 倍まで広げるこ

300 ps23 W

図3300 ps
2 mJ
6.7 MW

増幅率13180 ps
25 mJ
0.14 GW

30 fs
15 mJ
0.5 TW

チャープパルス増幅などの模式図とができる．このパルスは，自己収束（ダメージ）を避けて増幅することができる．最後に引き延ばされた

ト，高強度超短パルスレーザーの開発は，今まで人間が夢見パルスをもとの幅にもどすと高強度レーザーパルスが得られるだけであった物理現象を実現した，まさに驚異の発明といる．すなわち，最初は 7 nJ，0.35 MW の光が最後は 15 mJ，える．これにより光に関する科学技術の大きな発展が現在も0.5 TW になるのだから，発振器からの光が 140 万倍増強さ進行中であるが，いずれも光と物質の相互作用の基本に立っれたことになる．これがテーブルトップの装置で実現できたた革新的な発想に基づいている．分子あるいは原子の電子状のである．

態と光が相互作用して光の吸収発光を起こすが，強い光電場高強度超短パルスレーザーの化学への応用と最近の成果のもとでは容易に多電子イオン化を誘起する．また，電子遷移を起こさなくても，分子の電子状態は歪み，屈折率も非線形的に増加し，光の伝搬状態は変化する．さらに強い光によ

CPA 方式で得られた安定なフェムト秒パルスは，化学反り分極した微小物質は，電場勾配に従い力学的運動を引き起応の初期過程の研究，とくに光化学反応の初期反応のエネルこす．Ashkin 博士，Mourou 博士，Strickland 博士らが行っギー・電子移動の研究に利用されている．さらに CPA レー

たこれらの研究は，この原点に立った新しい科学技術と捉えザーの発展は進み，アト秒（1 秒の 1 兆分の 1 のさらに 10ることができる．分子と光の相互作用の研究，それを駆使し万分の 1）オーダーのパルス幅をもつ光を発生できるようにた材料化の研究は化学者の得意とするところである．光ピンなった．現在では，数十アト秒のパルスも発表されている．

セットの化学，高強度超短パルスレーザーの化学はさらに広水素原子の電子が 1 周する時間は百数十アト秒であるから，く深く展開され，新しい概念，方法論，そして物質創成が次原子・分子の電子の動きを捉えることができつつある 8）．集

つぎと生まれ，可能になると期待される．

光された高強度レーザーは多光子励起やイオン化を簡単に起こせるため，多光子顕微鏡に利用され皮下の像（経細胞活動や血流）も観察できるようになった．表面はもとより，ガラスやプラスチックなど透明材料の内部に精密加工を施すことも可能で，この技術は眼の顕微鏡下手術（LASIK）にとって必須である．さらには高密度の星の内部の条件を人工的につくりだす一方，レーザー核融合における核反応の点火の研究に使用され，新しい科学分野が開かれつつある 9）．

レーザーを駆使した化学研究の展望
今回のノーベル物理学賞の授賞対象となった光ピンセッ

24 化学 Vol.73 No.12（2018）

参考文献
1）A. Ashkin, Phys. Rev. Lett., 24, 156（1970）；A. Ashkin, J. M. Dziedzic,Appl. Phys. Lett., 19, 283（1971）．2）A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E.
Bjorkholm, S. Chu, Opt. Lett., 11, 288（1986）．3）増原極微変換プロジェク『マイクロ化学
微小空間の反応を操る』，化学同人（1993）．4）A.
ト 編，Ashkin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 4853（1997）．5）H. Masuhara, F.
C. De Schryver, N. Kitamura, N. Tamai eds., “Microchemistry: Spectroscopy
and Chemistry in Small Domeins,” North-Holland, Amsterdam（1994）．6）『化学の要点シリーズ 4 レーザー
日本化学会 編，中島信昭，八ッ橋知幸 著，と化学』，共立出版（2012）．7）D. Strickland, G. Mourou, Opt. Commun.,
56, 219（1985）．8）日本化学会 編，『CSJ カレントレビュー 18 強光子場の分子の超高速ダイナミクス』，化学同人（2015）．9）G. A. Mourou,
化学
N. J. Fisch, V. M. Malkin, Z. Toroker, E. A. Khazanov, A. M. Sergeev, T.
Tajima, B. Le Garrec, Opt. Commun., 285, 720（2012）．