さて、さらに短いフェムト秒に移りましょう。フェムト秒 (fs) は $${10^{-15}}$$ 秒。この時間では原子は実質的に動きません。おそらく、数百フェムト秒経過で、結晶格子内の原子の変位に気付くことができますが、数十フェムト秒では、原子は動かないと見なすことができます。この単位の領域は、さまざまな電子によって支配されている領域です現象。しかし、実際には、電子もさまざまな周波数でさまざまな速度で移動します。つまり、原子の外側の電子は遅く動き、内側の原子電子は速く動きます。しかし、「動く」という言葉は、もちろん、それらが原子の周りを直接回転することを意味するものではありませんが、何らかの非定常プロセスを開始した場合-たとえば、何らかの形で原子を乱したり、原子から電子を叩き出したりして、電子が波動関数から流れ出るときです。

ここには標準的な研究方法があります。つまり、これは実際には私が話したのと同じポンピングとプロービングの技術ですが、80 年代にはフェムト秒単位まで進化していました。もちろん、ここで、特定の避けられない限界に遭遇しました。通常の光波の電磁場の振動周期が1.5から3フェムト秒なのです。つまり、たとえば、1 フェムト秒を取得することは単純に非現実的です。なぜなら、発振周期の半分で光パルスを取得することはできないためです。必然的に、少なくとも 1 ～ 2 回の発振が発生します。したがって、必然的に数フェムト秒の光パルスが得られます。しかし、これらの方法の助けを借りて、フェムト秒プロセスを実際に研究することができます.

これを示す代わりに、速いプロセスを少し違った見方、つまり、これらの現象を検出するための少し違う方法の例を示すことが役立つと思いました. 次のスライドに移る前に、言葉にしておきましょう。

したがって、電子、陽子などの電荷が転送される高速の流れのプロセスがある場合、電磁放射が発生する可能性があり、この電磁放射の周波数は、典型的な遷移時間に対応します。このプロセスで利用可能です。したがって、このプロセスを注意深く見て、そこからの電磁放射の閃光を記録すると、この閃光を解読することで、プロセス自体について何かを知ることができます。ここでは、ちょうど 1 年前にこれがバクテリオロドプシンと呼ばれる興味深い生物学的タンパク質にどのように適用されたかについて話しています。

バクテリオロドプシンはユニークなタンパク質であり、多くの興味深い物理的特性を持っています。実際には、自然界ではある種の細菌によって生産され、さらにそれらの膜に組み込まれています。つまり、膜に居座って、次の機能を果たします。これは感光性タンパク質です。光で照らされると、サイクルが開始されます。つまり、このタンパク質のプロセス、再編成、さまざまな再構成のカスケード（連鎖）であり、その結果、一方の端からプロトンが移動します。分子を他の分子に。このタンパク質は膜に組み込まれているので、光を当てると、このタンパク質がプロトンポンプのように機能することがわかります。つまり、ある場所から別の場所へ陽子をポンピングしてそこで放出し、再び陽子を受け取り、別の場所へポンピングして放出します。

もちろん、これは生物学にとって非常に重要であり、生物学の基本的なプロセスの 1 つです。もちろん、物理学者、そして生物物理学者はすべてを積極的に研究しました。そのため、さまざまな段階があることがわかりました。ここでは大まかに描いています。それらが何であるかはわかりません。典型的な段階であり、これらの段階がすべて通過する典型的な時間です。そして、このタンパク質には、実際には、時間的に完全に異なる段階があることが判明しましたミリ秒スケール。つまり、一般に、サイクル全体には約 20 ～ 30 ミリ秒かかり、非常にゆっくりです。しかし、特定のステップはマイクロ秒単位で行われ、これらのステップのいくつかのステップはナノ秒またはピコ秒です。つまり、この分子にはさまざまな遷移の12桁の範囲があります. 最初の現象、つまり、この分子が光に照らされたときの最初の応答は、文字通りピコ秒、1〜2ピコ秒で発生することが判明しました。そして、このプロセスのダイナミクスを理解するには、ピコ秒の範囲よりも深く、つまりフェムト秒の範囲に入ることができる手法が必要です。この手法を使用して、少なくとも数百または数十フェムト秒を確認することが望ましいです。

さて、先ほど言ったように、ここで適用されたアイデアは非常に単純です。電荷の動きがあり、この分子に電荷の動きがある場合、放射線が発生する可能性があります。質問: どの範囲ですか? したがって、ピコ秒の範囲の時間について話している場合、1 ピコ秒は、これを周波数に変換すると、$${10^{ 12}}$$Hzに対応します。これは最初のヘルツ放射です。聞いたことがあるように、天文学者の言葉では遠赤外線と呼ばれています。それは数百ミクロンの波長です。まあ、一般的に、これは天体物理学と、原則として通常の物理学の両方で研究するのが非常に難しい範囲です。つまり、長い間、弱いテラヘルツパルスを検出するための信頼できる方法だけでなく、弱いテラヘルツパルスを生成するための信頼できる方法さえありませんでした。そのため、あまり進歩がありませんでした。文字通り、この 5 ～ 10 年間に、これらのテラヘルツ波を放出し、それらを検出するために使用できるいくつかの新しい概念ができましたので、今は大きな問題はありません。

したがって、ピコ秒単位または数ピコ秒単位の典型的な時間のプロセスがある場合、つまり、これはテラヘルツ放射のバーストが生成されることを意味します。このフラッシュが検出および測定された場合、多くのことを学ぶことができます。 理論計算と比較すると、この分子の電荷の動きのダイナミクスについて多くを学ぶことができます。もちろん、単一の分子からのテラヘルツ放射の閃光を見るのは現実的ではありません。特に検出が不十分であることを考えると、これらの分子が集中してほぼ一方向に並んでいる可能性があるという事実に救われます。そのため、プロセスを開始する閃光があると、数千、数百万の分子でプロセスが一斉に開始され、それらはすべてテラヘルツ放射を放出し始め、この放射はコヒーレントです。この放射はコヒーレントです。つまり、フィルム全体から同時に放射されます。そして今、この衝動はすでに検出されています。

これは、実験で得られたこのパルスの写真です。ここにピコ秒があります ここに テラヘルツパルスの電場があります これらの緑色のものは実験点です これらがどれほど密集しているかがわかります つまり ピコ秒ごとにこれらの点が数十個あります そうしないと、このような高速ダイナミクスが単に見過ごされてしまうためです。ここ。これらの点にはいくつかの曲線が重ねられています。これらがどのような曲線であるかはあまり重要ではありません。この分子の応答を記述するためのさまざまな理論的アプローチ、たとえば、電子またはプロトン、またはその両方の移動を考慮に入れると、わずかに異なる予測が得られることは明らかです。予測は、たとえば電子と陽子の両方の移動を考慮した曲線によって与えられます。つまり、これは小さな問題のように思えるかもしれませんが、テクニック自体に注意を払うようにします。つまり、このプロファイルを注意深く研究し、理論と比較することで、サブピコ秒の現象、つまり数百フェムト秒続く現象について本当に多くのことを学ぶことができます。論文リンク。

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.0706336105