人工進化研究所（AERI）
- 2023年12月16日
- 読了時間: 12分

AERI Peta-Exa watt class ultra-high power laser （超高強度レーザー）のためのAERIプラズマミラー

Quantum Physicist and Brain Scientist

Visiting Professor of Quantum Physics,

California Institute of Technology

IEEE-USA Fellow

American Physical Society-USA Fellow

CALTECH Prof. PhD. Dr. 神室一翔（Kazuto Kamuro）

人工進化研究所AERI：Artificial Evolution Research Institute

Pasadena, California

HP: https://www.aeri-japan.com/

and

株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）

Pasadena, California

HP: https://www.usaxyronix.com/

巻頭言

A．人工進化研究所（AERI：Artificial Evolution Research Institute, https://www.aeri-japan.com/）とザイロニクス（Xyronix Corporation, https://www.usaxyronix.com/）主席研究員神室一翔教授（Doctor of Engineering (D.Eng.) and Ph.D. in Quantum Physics, Semiconductor Physics, and Quantum Optics）が提供するProfessor Kamuro's near-future science predictionsは、量子物理学・生物量子物理学・脳科学・人工頭脳学・知能バイオコンピューター・次世代・量子半導体・衛星光電子工学・量子光学・コンピューターサイエンス・ナノサイズ半導体・超LSI工学・非破壊検査・寿命予測工学・超短パルス・超高出力レーザーサイエンス・衛星光電子工学・再生エネルギー工学といったの先端研究分野での未踏破領域・極限領域における研究開発成果に基づき人工進化研究所AERIと株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation| 神経接続素子であるバイオ半導体と脳神経を直接ナノスケールで神経レベルで接続するしたLSI及びバイオコンピュータ半導体設計）が提供するGenerative Artificial Intelligence、第６世代コンピューター、核抑止・軍事無人化・ミサイル防衛、再生可能・クリーンエネルギー、温暖化・気候変動抑止、環境保全、グリーントランスフォーメーション（GX）、国土強靭化等の成果を通じて、工科大学博士課程修了後の研究者諸君に本物の学びと発見の機会を提供することで、『考えることのできる葦としての一歩を歩み始めた葦』を、『考え行動し成長を追い求める葦』へと完全変態させるための思考指針を諸君に賦与することを主目的とするとともに、未踏破領域・極限領域へ挑戦するための導きを提供し、新しい時代の先駆者としての使命を果たすことを目指している。

人工進化研究所AERIと株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）は、量子脳科学、量子神経学、量子認知学、分子生物学、電子・電気工学、応用物理学、情報工学（IT）、通信工学、半導体・材料工学のPh.Dを６０余名、工学博士を９０余名、エンジニア（ソフトウェア、ネットワーク、システム等）・プログラマー等２３０余名を雇用して、研究開発を進めている。

B．【先端研究分野での未踏破領域・極限領域での人工進化研究所AERIとザイロニクス（Xyronix Corporation）における研究開発成果例】

　1. AERI･HEL (petawatt class ultra-high power terawatt-class ultra-high power femtosecond laser)

◦ ペタワットクラスの超高出力テラワット級超短パルスレーザー（AERI･HEL）

2. 第6世代コンピューター

◦ 意識駆動型バイオコンピュータ

◦ 脳インプラント型バイオコンピュータ

　3. カーボンニュートラルAERI合成燃料ケミカルプロセス（グリーントランスフォーメーション（GX）技術）

◦ CO₂回収システム（DAC）による合成燃料（LNGメタノール）の生産

4. グリーン合成燃料生産技術グリーントランスフォーメーション（GX）技術）

◦ カーボンニュートラル・カーボンリサイクルシステム型AERI合成燃料ケミカルプロセス

5. 直接空気回収技術（DAC）

◦ カーボンニュートラル・カーボンリサイクル二酸化炭素循環回収システム

6. バイオLSI

◦ バイオ半導体と脳神経を直接ナノスケールで接続する神経接続素子

◦ Brain LSI Chip Set、バイオコンピュータLSI、BMI LSI、BCI LSI、

　　　　BrainコンピューティングLSI、BrainインプラントLSI

7. CHEGPG system (熱回生バイナリーエンジン搭載型閉鎖サイクル熱交換発電システム)

◦ 発電能Terawatt（TW）・年間発電量10,000TWh（terawatt hour）クラス

◦ 1～0.01円/kWh・無限大クリーンエネルギー源・再生可能エネルギー源

8. 意識駆動型Generative自律ロボット

9. Brain Implemented Robot･Cybernetic Soldier

10. Generative Robot・Generative Android Army・Generative Android

11. 高高度ミサイル初動迎撃システム、敵基地無効化システム、核兵器・通常兵器無効化システム、対ICBM用次世代迎撃レーザーシステム、対戦闘機用次世代迎撃レーザーシステム

12. ブーストフェーズ・ミッドコースフェーズ・ターミナルフェーズ弾道ミサイル迎撃システム

13. 火山性微動レーザーリモートセンシング

14. 噴火予知技術噴火予兆検知システム

15. Mega地震予兆・予測システム

16. レーザー劣化診断・非破壊検査システム

17. 超低高度衛星・超高速移動体非破壊検査システム

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AERI Peta-Exa watt class ultra-high power laser （超高強度レーザー）のためのAERIプラズマミラー

A. AERIプラズマミラー（APM）は、高強度のレーザー光とプラズマとの相互作用に基づいて光を反射する特殊な光学デバイスである。以下に、APMの概要とその動作原理についての詳細を述べる。

１．APMの概要:

a. 基本原理:

APMは、強力なレーザー光が物質を励起し、その結果として生成されるプラズマと相互作用することによって機能します。プラズマは、通常の物質が高温や高エネルギー状態になることで形成され、電子がイオンと自由に移動する帯電したガスの状態である。

b. 生成方法:

APMは、高強度の超短パルスレーザー光が物質表面と相互作用することにより生成される。このプロセスでは、物質が急激に加熱され、電子がイオン化されて高温・高密度のプラズマが生成される。

c. 反射特性:

プラズマは高い電気伝導率を持っており、生成されたプラズマ層は通常の物質よりも高い反射性を示します。これにより、APMは高い光反射率を実現し、強力なレーザー光を反射できる。

２．APMの動作原理:

a. 光吸収とプラズマ生成:

強力なフェムト秒（10^-15秒）のレーザー光が物質表面に照射されると、物質が急激に加熱され、電子がイオン化されてプラズマが生成される。このプロセスでは、光エネルギーが物質に吸収され、電子が自由に動き回る。

b. プラズマ反射:

生成されたプラズマ層は高い電気伝導率を持ち、光波がこのプラズマに入射すると反射が起こります。このとき、プラズマは光を高い効率で反射し、通常の鏡のような鏡面反射を示す。

c. アト秒パルスの生成:

レーザー光がAPMに照射されると、反射された光波とプラズマの振動が相互作用し、アト秒（10^-18秒）の非常に短い時間のパルスが生成される。これにより、超短時間の光パルスが得られ、物質内のダイナミクスを観察するのに利用される。

３．応用分野:

APMの応用分野には、以下のようなものがある。

a. 超高強度レーザー実験: APMは、超高強度レーザー光と物質との相互作用を研究するための実験に利用される。

b. アト秒科学: アト秒パルスの生成に使用され、物質内の超高速なプロセスを観察するための研究に寄与している。

c. 光学スイッチング: APMは、光学スイッチングデバイスとして使用され、超高速の光スッチングが可能である。

d. 高調波生成: 高い電場勾配により、APMは高次高調波を生成するのに役立つ。

e. その他：APMの研究は、高エネルギー物理学や超高強度レーザー技術の進歩に寄与している。

B. AERIプラズマミラー（APM）で用いるプラズマは不安定でほとんど制御できない媒体と考えられているが、超短パルスレーザー（通常フェムト秒以下）に対しては、このプラズマは光波長のごく一部しか拡張せず、したがって高平坦ミラーとして振る舞い、高強度の鏡面反射をもたらす。

このような物理現象を応用したAPMは、特に強度の高いレーザー-プラズマ相互作用物理学の実験台と見なすことができる。これは、プラズマ内での強力なレーザー光の非線形伝播に伴う複雑さを回避するという点で特に重要である。

この基本的な興味に加えて、APMの潜在的な活性高強度光学素子としての可能性は長らく認識されている。例えば、元々固体の標的がイオン化されプラズマに変換されると反射率が大きく変化するため、APMはレーザー誘発超高速光学スイッチとして使用できる。これはガスレーザーからのナノ秒パルスを数フェムト秒（6フェムト秒）の範囲まで短縮し、超短パルスの時間的コントラストを向上させるために適用されている。

過去10年間、APMの研究は相対論的相互作用領域で集中している。つまり、可視光波長で数1018W（ペタ～エクサワット）/ cm2以上で、レーザー場内の電子の振動運動が光速のオーダーで関与する領域である。この領域では、APMは非常に非線形な領域で駆動され、反射されるビームのスペクトルに非常に高次の調和波の生成をもたらす。これは極端紫外線およびX線スペクトル範囲にわたる。

APMの理論的な研究では、これらの調和波が強烈なアト秒またはフェムト秒のパルスのトレインに関連しており、強力な数周期のレーザーパルスが使用されると孤立したアト秒バーストが期待されると予測されている。このプロセスはアト秒科学の発展にとって重要なステップであり、これらの理論的な予測は実験的に検証される必要がある。

B. ただし、超強力なレーザーの主な弱点である時間的なペデスタルにより、APMを超高強度領域での応用および徹底的な実験研究はこれまで阻害されてきた。主なパルス強度が1017−1018W（ペタ～エクサワット）/ cm2を超えると、このパルスを取り囲むナノ秒光背景は通常106～108倍弱いが、主なパルスよりも前に固体標的を強くイオン化する十分な強度である。その結果、生成されるプラズマが拡張するため、主なパルスは短くても長いプラズマ密度勾配と相互作用し、鏡面反射が観測されない。

このため、ここでは超高ダイナミクス光スイッチとして機能するように完全に設計されたダブルAPM（DPM）セットアップを使用して、時間的なコントラストを4桁向上できる。結果として得られる高コントラストのパルスは、APMを光学素子として並びに適切な研究対象として使用することにより、超高強度で駆動されるAPMの鏡面反射におけるHHG（高次高調波生成）の基本的なメカニズムを明らかにするために使用される。

高出力レーザーの時間的コントラストは、最初に反射率が低い誘電体ターゲットにレーザービームを反射させるという驚くほど単純な方法を使用することで劇的に向上させることができる。ビームの焦点を適切に選択すると、時間的なペデスタルはこのターゲットに著しく影響を与えませんが、主なレーザーパルスは非線形励起プロセスを介して強力なイオン化を引き起こす。

したがって、主パルスの上昇エッジでいくつかのフェムト秒でプラズマが生成される。このプラズマが光束を遮断するに十分な密度になると、ターゲットの反射率が急激に上昇す。つまり、電子密度nがレーザー周波数ωLに特有の臨界密度nc=mε0ω2L/e2を超えるときである。ここで、mは電子の電荷と質量を、ε0は真空誘電率を表す。800 nmのレーザー波長とサブ〜10 fsのレーザーパルスの場合、これには通常数1014Wcm−2の強度が必要である。

C. 電子の密度シートがほぼ光速で加速されると、それは反射面として機能す。このような「超高強度レーザーのAPM」は光を操作するために使用できる。現在、一般社団法人人工進化研究所（カリフォルニア州パサデナ、HP: https://www.AERI-japan.com/）と株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation、カリフォルニア州パサデナ、HP: https://www.usaXyronix.com/）の量子光学物理学者チームは、APM の超高強度レーザーへの効果を詳細に特徴付け、それを利用して孤立した高強度のアト秒光フラッシュを生成した。アト秒は1秒の十億分の十億分（10-18）の時間である。

非常に強力なレーザーパルスと物質の相互作用は、数百アト秒しか続かない超短い光フラッシュを生成するための新しいアプローチを完全に開拓した。これらの非常に短いパルスは、超原子スケールでの超高速な物理現象のダイナミクスを探るために使用できる。アト秒パルスを生成するための標準的な方法は、近赤外線レーザー光とネオンやアルゴンなどの貴ガスの原子との相互作用に基づいている。

現在、カリフォルニア工科大学（CALTECH）のKazuto Kamuro（CALTEC Professor, PhD, and Doctor of Engineering in Quantum Physics, Semiconductor Physics,Quantum Optics and Brain Science）の指揮で、AERIおよびXyronixのアト秒物理学研究所の研究者らは、孤立したアト秒光パルスを生成する新しい装置を完成した。

D. 最初の段階では、AERI･HEL（ペタワット級の超高出力テラワット級および超高出力フェムト秒レーザー）を使用した非常に強力なフェムト秒（10-15秒）レーザーパルスがガラスと相互作用する。 AERI･HELの光はガラス表面を蒸発させ、その構成原子をイオン化し、解放された電子を光速のかなりの部分に相当する速度まで加速させる。急速に移動する電子からなる高密度プラズマは、パルスレーザー光と同じ方向に伝播し、鏡のように機能する。

電子が光速に近づく速度に達すると、それらは相対論的な状態になり、レーザーフィールドへの応答として振動し始める。APMの超高強度レーザーへの効果による定期的な変形は、反射された光波と相互作用して孤立したアト秒のパルスを生じる。このパルスは、約2000アト秒の推定持続時間と、スペクトルの極紫外線(Ultra Violet)領域（16〜34ナノメートル、38〜65電子ボルト）の波長を有している。

長い波長のレーザーパルスによって生成されるアト秒のパルスとは異なり、APMによって生成される光パルスは、光学的なサイクルが少ない場合でも波形で正確に制御できる。これにより、AERIおよびXyronixのアト秒物理学研究所の研究者らはAPMの振動、すなわち生成プロセスの時間経過を観察することが可能となった。重要なことは、これらのパルスが通常の手法で得られるものよりもはるかに強烈で、つまりはるかに多くの光子を含んでいるという点である。

増加した強度により、超微粒子の挙動をより正確にリアルタイムで測定することが可能となっている。アト秒の光パルスは主に電子の動きをマッピングするために使用でき、原子内の基本的なプロセスのダイナミクスに洞察を提供する。アト秒の光フラッシュの強度が高いほど、物質内の粒子の動きについてより多くの情報を得ることがである。

APMの超高強度レーザーへの効果を具体的に示すことで、AERIおよびXyronixのアト秒物理学研究所の研究者らによるAPM研究は、物理学者が量子の世界の謎にさらに深く突っ込むことを可能にする技術を提供することになる。

END

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Quantum Brain Chipset & Bio Processor (BioVLSI)

・神室一翔（Kazuto Kamuro）, a professor at the California Institute of Technology (CALTECH) in the United States, with the title of Quantum Physicist and Brain Scientist

Doctor of Engineering (D.Eng.) and Ph.D. in Quantum Physics, Semiconductor Physics, and Quantum Optics

IEEE-USA Fellow

American Physical Society Fellow

・人工進化研究所(AERI ） & 株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）

HP: https://www.aeri-japan.com/　

HP: https://www.usaxyronix.com/

email: info@aeri-japan.com

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【Keywords】　人工進化研究所AERI （Artificial Evolution Research Institute）

HP： https://www.aeri-japan.com/

株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）

HP: https://www.usaxyronix.com/