このノーベル賞受賞者は高みへの道を切り開いた

ドナ・ストリックランドは子供の頃、1 つの目標を念頭に置いていました。それは、博士号を取得することです。 しかし彼女は、カナダのオンタリオ州ハミルトンにあるマクマスター大学で物理学の学部での勉強を始めるまで、自分がどのような学問を追求したいのかを知りませんでした。 そこで彼女は、レーザーに関するコースを受講した後、レーザーの研究に興味を持ちました。

このテーマは「SF小説の何かのようで、とてもクールだった」とストリックランド氏は言う。 新たに見つけた情熱が、いつの日かノーベル物理学賞を受賞することになるとは、彼女はほとんど知りませんでした。

雇用者

ウォータールー大学（オンタリオ州）

タイトル

物理学の教授

メンバーグレード

名誉会員

母校

ロチェスター大学、ニューヨーク

ストリックランド氏は、ニューヨークのロチェスター大学で博士号取得のための光学研究を行っている間、レーザーの先駆者でノーベル賞受賞者であるフランスの物理学者ジェラール・ムルー氏と協力しました。 モルー氏は、強力なレーザー光を生成して研究するために構築された物理学研究所のエクストリーム ライト インフラストラクチャ ネットワークの開発を主導しました。 彼らは協力して、レーザーにダメージを与えずにレーザーのピークパワーを高める方法を実験しながら、チャープパルス増幅技術を発明しました。 高強度に達する短いレーザーパルスを生成する CPA は、現在、眼科矯正手術、医療画像処理、スマートフォンの製造など、多くの用途に使用されています。

ストリックランド氏とモロウ氏は、2018年のノーベル物理学賞をIEEEライフフェローのアーサー・アシュキン氏と共同受賞した。アーサー・アシュキン氏は、低出力のレーザー光線を使って生きた細胞やその他の小さな物体を操作する別の技術「光ピンセット」を発明した。

ノーベル賞受賞は「人生が変わった」とストリックランド氏は言い、「準備ができていなくても、人生は一日で変わってしまう可能性がある」と付け加えた。

彼女の発明は、IEEE が後援する今年の IEEE 名誉会員の資格も獲得しました。 彼女は、同僚が彼女をその賞に推薦してくれたので、この賞は特別なものだと語った。

「ドナの研究は変革をもたらしました。チャープパルス増幅に関する彼女の独創的な研究は、研究の金字塔です」と彼女の受賞推薦者の一人は語った。 「さらに、彼女は世界中の多くのエンジニアにとって真の模範です。彼女は非常に貢献的な人物であり、IEEE 名誉会員がどうあるべきかを示す輝かしい模範です。」

ストリックランド氏は、オンタリオ州ウォータールー大学の物理学教授であり、差周波混合による中赤外パルスの生成や多周波ラマン生成技術の研究など、非線形光学研究のための高強度レーザーシステムを開発している研究者グループを率いています。

ドナ・ストリックランドがストックホルム・コンサートホールでスウェーデンのカール・グスタフ国王から2018年ノーベル物理学賞を受賞。ヘンリック・モンゴメリー/TTニュース・エージェンシー/ゲッティイメージズ

1981 年にマクマスターから物理学の工学士号を取得して卒業した後、ストリックランド氏はニューヨークに移り、ロチェスター大学で光学博士号を取得しました。ロチェスター大学は当時、レーザー光学を研究するトップスクールの 1 つと考えられていました。 彼女は大学のレーザーエネルギー学研究所でモロウ氏に加わり、そこで彼はデバイスに損傷を与えることなくレーザーの強度（光パワー）を高める方法を探していました。

パルスレーザーは、短時間、小さな領域に光を集中させて電力を生成します。 1960 年に物理学者セオドア・メイマンが最初のレーザーを実証してから数年間、ピーク強度は急速に増加しました。しかし、ある点を超える光の増幅によりレーザーが損傷したため、強度は 1970 年以降 10 年以上横ばいになりました。

光が物質とどのように相互作用するかに関する研究で、ムロウ氏は 1983 年に、パルスを元に戻す前にパルスの間隔をあけて増強すると、損傷することなくより高強度のレーザー パルスが生成される可能性があると仮説を立てました。 しかし、それを達成する方法がわからなかった、とストリックランド氏は言う。 そこで、博士課程の研究のために、彼女はさまざまなレーザー システムを使用して彼の仮説をテストしました。 しかし、彼女の実験はどれもうまくいきませんでした。

「ドナは世界中の多くのエンジニアにとって真の模範です。彼女は非常に貢献的な人物であり、IEEE 名誉会員がどうあるべきかを示す輝かしい模範です。」

ストリックランドとモルーが解決策を見つけたのは、1984 年の超高速現象に関する国際会議に出席したときでした。 年に 2 回開催されるこのイベントには、10 億分の 1 秒以上で発生する原子、分子、材料のプロセスを研究するために使用されるツール、方法論、技術を開発している科学者が集まります。

Strickland 氏と Mourou 氏は、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット (Nd:YAG) レーザーの新しく開発された光ファイバーパルス圧縮に関する会議のプレゼンテーションに出席しました。 この技術を使用すると、光ファイバー内の非線形光学を使用して 100 ピコ秒のパルスを 1 ps に圧縮し、レーザーのスペクトル帯域幅を増やすことができます。 パルスがファイバ内で分散しながら伸びることができる場合に、圧縮が最も成功することがわかりました。

「私は実験に同じレーザーを使用していました」とストリックランド氏は思い出した。

彼女とモロウは、高強度のパルスを安全に作成する方法を考え出しました。パルスは、これまでのように増幅された後ではなく、増幅される前に引き延ばされる必要がありました。 パルスを伸ばすということは、パルスを再圧縮して必要な強度を生成できることを意味します。

彼女の理論を検証するために、Stickland と Mourou は、2 ワットの Nd:YAG レーザー、1.4 キロメートルの光ファイバー、増幅器、および一対の平行格子で構成されるシステムをレーザーエネルギー研究所で構築しました。

Nd:YAG レーザーは、100 ps の短パルスを光ファイバーに送り込みました。 光の速度は波長に依存するため、光の赤色成分はファイバー内を青色成分よりも速く伝播します。

鳥の鳴き声も同様の周波数構造を持っているため、これは「チャープパルス」と呼ばれるものだとストリックランド氏は言う。

チャープ パルスによりパルスの持続時間が長くなり、レーザーに損傷を与えないように強度が分散されます。 引き伸ばされた低エネルギー密度パルスは増幅され、一対の平行な回折格子を通過しました。これにより、後続の青色成分が赤色に追いつくことができました。 どちらも格子に反射して再組み立てされました。 スティックランド氏によると、再構成されたパルスは元のパルスよりも3倍強力だったという。

チャープパルスにちなんで名付けられたこの技術は、それ以来、これまでに作成された中で最も短く最も強力なレーザーパルスへの道を切り開き、よりコンパクトで正確なレーザーシステムを構築することを可能にしました。

Strickland と Mourou の 1985 年の論文「増幅チャープ光パルスの圧縮」は、Optics Communications 誌に掲載されました。 これはストリックランド氏が初めて発表した研究論文でした。

CPA の開発を支援した後も、Strickland 氏はどのようなキャリアパスを追求すべきかまだわかりませんでした。 彼女は同僚にアドバイスを求めたところ、その同僚の一人が、カナダ国立研究評議会の超高速現象部門で働いていた物理学者のポール・コーカム氏がその年に最初の博士研究員を獲得する予定であると教えてくれた。 コルカムはレーザー科学を専門とし、アト秒物理学の開発の先駆者でした。 ストリックランドはその音が気に入った。

「研究室の他の博士候補者たちに、コルカムはまだ私の名前を知らないかもしれないが、私は彼の2人目のポスドクになるつもりだったと言ったのを覚えています」と彼女は言う。 彼女は 1988 年に夢の仕事に就き、彼の下で 3 年間働きました。

1991 年に彼女は、カリフォルニアにある米国エネルギー省の施設であるローレンス リバモア国立研究所の物理学者になりました。

彼女は西海岸に住んでいましたが、物理学者である夫は東海岸に住み、ニュージャージー州マレーヒルのベル研究所で働いていました。

1 年間離れて過ごした後、ストリックランド氏はニュージャージー州に移り、プリンストンのフォトニクスおよび光電子材料先端技術センターの技術スタッフに加わりました。 彼女はそこで電気技術者、機械技術者、化学者と協力し、「彼らがレーザーを持っていたら、私は彼らを助けました」と彼女は言います。 彼女は教授が CPA レーザーを構築するのを手伝い、新しいパルス増幅材料の非線形光学特性評価を実施する研究グループを支援しました。

ストリックランドさんは、退職するまでプリンストン大学で働くつもりだったが、夫が 1996 年にベル研究所を退職した後、カナダに戻ったと語った。 ストリックランド氏はウォータールー大学の物理学科に助教授として着任した。 彼女は 2002 年に准教授に昇進し、2007 年から 2013 年まで同学科の准教授を務めました。

「若い頃は、博士号を取得して学校に残りたかっただけです」とストリックランドさんは言う。 「教授になることは、学生であることの次に良いことだ。」