中国・大連の先端光源、レーザー技術で重要な節目を達成
世界の科学技術における画期的な成果として、中国の研究者は遼寧省大連市で、繰り返し周波数1メガヘルツの電子ビームの運転に初めて成功した。この画期的な成果は、次世代の極端紫外（EUV）自由電子レーザー（FEL）施設である大連先端光源（DALS）計画にとって、重要な前進となる。この達成により、中国は先端光源開発の最前線に立つ地位を確かなものにしただけでなく、物理学、化学、生物学、材料科学の研究に新たな可能性を開いた。
目次
大連先端光源とは何か、なぜ重要なのか
大連先端光源は、自由電子レーザー技術を用いて、極めて高輝度でコヒーレントなEUV光を生み出す最先端の科学施設として構想されている。従来のレーザーとは異なり、FELは磁気構造（アンジュレーターと呼ばれる）の中を進む高速電子ビームを使い、従来の方法では実現できない波長の光を生成する。この特性により、FELは原子・分子スケールのミクロな世界を調べるのに適しており、基礎物理学から先端製造、生命科学まで幅広い分野での応用が期待される。
DALS計画は、中国科学院大連化学物理研究所（DICP）の院士、楊学明氏と研究者の張偉清氏が主導している。チームが最近、安定した高繰り返し周波数の電子ビームを実現したことで、FEL建設における最も難度の高い技術課題の一つに対処した。中国初のFEL利用者施設であり、世界で唯一EUV領域に特化して運用される施設として、DALSは科学的発見と技術革新の中核となることが期待されている。
自由電子レーザーを知る
自由電子レーザーは、しばしば先端光源の「第4世代」と呼ばれる。特定の物質を使って光を生み出す従来のレーザーとは異なり、FELは光速に近い速度まで加速された電子の流れを利用する。電子がアンジュレーターを通過すると光を放出し、その波長は赤外線からX線まで幅広く調整できる。この柔軟性に加え、極めて短いパルスと非常に高い輝度を生み出せるため、FELは超高速の現象を捉え、原子レベルで構造を解明することを可能にする。
DALSの先駆けとなる大連コヒーレント光源（DCLS）は、すでにFELの威力を実証しており、波長50～150 nmの光ビームを、最短100フェムト秒（1,000兆分の1秒）のパルス幅で供給している。この能力により、科学者は電子の動態、分子の変化、物質の相転移をリアルタイムで観測できる。
この画期的な成果はどのように実現したのか
大連での今回の節目は、長年にわたる協力と技術革新の成果だ。2020年の計画開始以来、DICPと深センの先端光源施設研究院は、FELの運転に不可欠な一連の中核技術の開発に取り組んできた。主な技術は次の通り。
- 高品質の電子ビームを生成する光陰極電子銃
- 精密なタイミング制御を行う超高速レーザーシステム
- 安定した加速を実現する固体高周波電源
- 連続波運転を可能にする超伝導加速器モジュール
- 超伝導状態を保つ極低温ヘリウム冷凍システム
繰り返し周波数1メガヘルツ（毎秒100万回）の電子ビームを生成するには、安定性と品質の両方が求められるため、特に大きな技術的課題がある。この成果は、大連のチームが次世代FELに必要な中核技術を確立したことを示している。
研究チームによると、今回の成功は「計画の今後の建設に向けた強固な基盤を築く」ものであり、最先端FEL施設の開発を進める中国の幅広い取り組みにとって、大きな前進となる。
科学技術への影響、FELが画期的である理由
DALSのような自由電子レーザーは、かつては想像もできなかった研究手段を提供し、科学研究に変革をもたらしている。EUVおよびX線領域で、コヒーレントで波長調整が可能な超高輝度光を生成できるため、科学者は次のような研究を行える。
- 分子や物質の構造と動態を原子分解能で調べる
- 超高速の化学反応や生物学的プロセスをリアルタイムで研究する
- 医療や材料科学向けの高度なイメージング技術を開発する
- EUVリソグラフィーを通じて次世代半導体製造を支援する
例えば、大連コヒーレント光源は、分子光化学、エアロゾル質量分析、生体質量分析の実験を可能にしてきた。高分解能質量分析にEUVレーザービームを導入することで、研究者は複雑な生体分子を効率よく解離させ、詳細な構造情報を得られる。これにより、プロテオミクスや創薬などの分野が前進する。
FEL技術をめぐる中国の戦略構想
中国は、科学技術の発展における戦略的優先事項としてFEL技術を位置づけている。国家発展戦略によると、中国は2035年までに、長波長FEL、X線FEL、FELを基盤とするEUVリソグラフィー用光源での飛躍を目指している。こうした取り組みは、基礎研究への投資拡大、複数の関係機関による協力、独自のイノベーション重視によって支えられている。
大連化学物理研究所は特に、触媒、化学工学、レーザー技術の先駆的研究において長い歴史を持つ。DALS計画を主導する同研究所の役割は、世界水準の科学インフラを構築し、新世代の科学人材を育成するという中国の決意を示している。
世界の光源施設とDALSの比較
世界では、複数の先端光源施設が構造生物学、材料科学、化学の研究に変革をもたらしてきた。注目すべき例にはスイスのスイス・ライト・ソースとSwissFELがあり、高スループットかつ高分解能での高分子研究を可能にしている。一方、DALS計画は、高繰り返し周波数で連続波運転を行うEUV FEL施設という独自の位置を占め、既存の放射光源やFEL光源の能力を補完し、拡張する。
世界のFEL施設の大半はX線または軟X線領域で運転されているが、DALSは優れた時間・空間分解能を備えたコヒーレントEUV光の供給を目指している。そのため、価電子が関わる現象の研究や、半導体製造向けEUVリソグラフィーなどの先端製造への応用で、特に重要な役割を果たす。
科学、産業、社会への幅広い影響
DALSの開発成功は、基礎研究にとどまらない広範な影響をもたらす。クリーンエネルギーや環境技術の分野では、大連化学物理研究所は触媒、化学工学、エネルギー貯蔵の革新を通じ、すでに主導的な役割を示している。DALSの高度な能力は、こうした分野の研究をさらに後押しし、より効率的な触媒の設計、エネルギー変換プロセスの研究、持続可能な技術に向けた新素材の開発を可能にする。
産業界では、FELを基盤とするEUV光源が次世代の半導体製造に不可欠だ。半導体メーカーが微細化の限界に挑むなか、より小型で高速かつ省エネルギーな集積回路の製造にEUVリソグラフィーが欠かせなくなっている。FELの中核技術を確立することで、中国は世界の半導体サプライチェーンにおける主導的な立場を目指している。
次世代の科学者・技術者を育成
DALSのような大規模科学施設は、若手の科学者や技術者にとっての育成の場にもなる。最先端の研究や技術開発に参加することで、学生や若手研究者は、学術界、産業界、政府で指導的な役割を担うための貴重な経験を積める。こうした人材の育成経路は、イノベーションを持続させ、中国が科学的発見の最前線に立ち続けるうえで不可欠だ。
課題と今後の展望
今回の画期的な成果にもかかわらず、大連先端光源の建設と運用には、なお大きな課題が残る。メガヘルツの繰り返し周波数で安定した高品質の電子ビームを維持するには、加速器技術、極低温技術、制御システムの継続的な進歩が必要だ。さらに、施設をより幅広い科学コミュニティーに統合し、研究者が利用できるオープンアクセスを確保することが、影響を最大化するうえで重要になる。
中国のFEL技術に関する国家戦略は、継続的な投資、複数機関の協力、科学的成果の実用化を重視している。DALSは試作段階から本格運用へと進むなかで、中国内外の今後の大規模科学プロジェクトのモデルとなるだろう。
要点
- 中国の研究者が大連で、繰り返し周波数1メガヘルツの電子ビームを安定して運転することに世界で初めて成功した。大連先端光源（DALS）計画にとって重要な節目となる。
- DALSは次世代の極端紫外自由電子レーザー施設で、物理学、化学、生物学、材料科学の最先端研究に向け、超高輝度でコヒーレントな光を供給することを目指している。
- この成果は、大連化学物理研究所と深センの協力機関が共同開発した光陰極電子銃、超高速レーザー、超伝導加速器、極低温システムの進歩によって実現した。
- DALSのような自由電子レーザーは、半導体製造やクリーンエネルギー技術を含む科学研究と産業応用に変革をもたらしている。
- 中国はFEL技術を戦略的に重視し、先端光源分野での主導権確保、イノベーションの促進、次世代の科学人材育成を目指している。
