人工進化研究所（AERI）
- 2023年12月19日
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超高強度レーザー用AERI plasma mirrors、および未踏破領域・極限領域に向けたアト秒（attosecond）科学

神室一翔教授のnear-future science predictions

超高強度レーザー用AERI plasma mirrors、および未踏破領域・極限領域に向けたアト秒（attosecond）科学

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）、データサイエンス、通信工学、半導体・材料工学のPh.Dを１６０余名、工学博士を１９０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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超高強度レーザー用AERI plasma mirrors、および未踏破領域・極限領域に向けたアト秒（attosecond）科学

A. AERI plasma mirrorsは、AERI Peta-Exa watt class ultra-high power laser systemでレーザーパルスの進路を制御し操作するための装置であり、特定の材料の表面に強力なレーザー照射によって誘発されるプラズマ（イオンと自由電子から成る物質の状態）の生成に基づいて動作する。AERI plasma mirrorsの基本的なメカニズムは以下の通りである：

Peta-Exa watt レーザー照射: ・AERI Peta-Exa watt class ultra-high power laser systemが生成する高強度のレーザーパルスが特定の材料の表面に照射される。

プラズマ生成: Peta-Exa watt レーザーのエネルギーが素材の表面を急速に加熱し、電子の放出を引き起こし、プラズマの形成を引き起こす。このプラズマはイオンと自由電子から構成されている。

AERI plasma mirrorsの形成: 上記プラズマ生成の結果として、材料の表面は高い反射率を持つAERI plasma mirrorsとして振る舞うようになる。AERI plasma mirrorsは入射したPeta-Exa watt レーザー光を反射し、反射される光の方向を制御できる。AERI plasma mirrorsは先進的なレーザーシステムやプラズマ光学研究での応用がある。AERI Peta-Exa watt class ultra-high power laser systemに代表される超高エネルギーレーザーシステムでは、AERI plasma mirrorsを使用することでレーザー光の制御された反射と再方向へのリダイレクションが可能になり、さまざまな実験的および実用的な目的のためにAERI Peta-Exa watt class レーザーパルスを精密に操作・スキャンニングでききる。

B. 一般的に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、超短パルスのレーザー（通常6フェムト秒以下）の場合、このプラズマは光の波長のわずかな部分だけ膨張し、したがって高平坦性のミラーとして振る舞い、高強度の鏡面反射を引き起こす。このようなAERI plasma mirrorsは、AERI Peta-Exa watt class ultra-high power laser systemに代表される高強度レーザーとプラズマの相互作用物理学の実験において、特にプラズマ内の強いレーザー光の非線形伝播に関連する複雑な問題を回避するという点で、高強度レーザー-プラズマ相互作用のテストベッドの1つと見なすことができる。

この基本的な興味に加えて、AERI plasma mirrorsの潜在的な利用法は長らく認識されてきた。例えば、最初は固体の標的がイオン化されてプラズマに変換されると反射率が大きく変化するため、AERI plasma mirrorsはレーザーによってトリガーされる超高速光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6フェムト秒の範囲まで短縮し、超短パルスの時間的な特性を改善している。過去の10年間、AERI plasma mirrorsの研究は相対論的相互作用領域に焦点を当てており、可視波長で数10^20 W（1020、エクサワット程度）以上の領域で、電子の震動運動が光速のオーダーで関与する領域での使用が行われている。この領域では、AERI plasma mirrorsは非線形領域で駆動され、反射ビームのスペクトルにおいて極端紫外線およびX線の波長範囲までの非常に高次の調和波を生成する。

理論的な研究によれば、これらの調和波は強いアト秒（attosecond）またはフェムト秒のパルス列と関連しており、強度の高い数周期の長いレーザーパルスを使用した場合には孤立したアト秒（attosecond）バーストが期待されている。このプロセスは、アト秒（attosecond）科学の発展においてSHG、THG等の高次の調和波生成（HHG）の代替手段として最も有望なものの一つとされている。ただし、これらの理論的な予測は実験的に検証されていない。

C. しかし、AERI plasma mirrorsを超高強度領域での応用および徹底的な実験研究を行うことは、Peta-Exa watt class ultra-high power laserのような超強力レーザーの現時点での主要な弱点である時間的なペデスタルによって妨げられてきた。主要なパルス強度が1017 ～ 1020 W（ペタ～エクサワット）cm−2を超えると、通常108 ～ 1010倍も弱いにもかかわらず、主パルスを取り囲むナノ秒の光バックグラウンドは十分に強力であり、主パルスの前に固体標的を強力にイオン化し、結果として生成されるプラズマの膨張により、主パルスは短くても長いプラズマ密度勾配と相互作用し、鏡面反射が観察されない。

ここでは、完全に設計されたダブルプラズマミラー（DPM）セットアップを使用して、超高速高ダイナミクス光スイッチとしての役割を果たす。その結果、高対比のパルスを得て、これを用いてAERI plasma mirrorsの鏡面反射における高強度光パルスの基本的なメカニズムを、相対論的な領域まで含む超高強度で駆動したものを明らかにするために使用されている。AERI plasma mirrorsを光学要素と研究対象として同時に使用することで、高パワーレーザーの時間的対比を4桁向上させるための超高速光スイッチとしてフルに活用している。

高出力レーザーの時間的対比を驚くほど簡単な方法で劇的に向上させるためには、最初に反射率が低いダイレクト標的にレーザービームを反射させるという方法がある。ビームの焦点距離を適切に選ぶと、時間的なペデスタルはこの標的にはほとんど影響を与えず、一方ではるかに強力な主レーザーパルスが非線形励起プロセスを介して強いイオン化を引き起こする。その結果、数フェムト秒の範囲のレーザーパルスでは、典型的には数1017 ～ 1020 W（ペタ～エクサワット）cm−2の強度が必要である。

D. 高い速度でほぼ光速に加速される密な電子シートが反射面として機能する。これは「AERI plasma mirrorsを用いた超高強度レーザー」であり、光を操作するために使用できる。今回、カリフォルニア州パサデナのQuantum Opticsの人工進化研究所（HP：https://www.AERI-japan.com/）とアメリカのパサデナ、カリフォルニア州のXyronix Corporation（HP：https://www.usaXyronix.com/）からの国際的な物理学者チームは、この「AERI plasma mirrorsを用いた超高強度レーザー」効果を詳細に特性化し、それを利用して孤立した高強度の0.1アト秒（attosecond）の光フラッシュを生成した。アト秒（attosecond）は1兆分の1秒（10^-18 =10-18）の期間である。

非常に強力なレーザーパルスと物質との相互作用により、数百アト秒（attosecond）しか続かない超短い光フラッシュを生成する新しいアプローチが発見された。これら非常に短いパルスは、それ自体を使用して原子のノーブルガス（ネオンやアルゴンなど）中の電子との相互作用に基づく、アト秒（attosecond）のパルスを生成するための標準的な方法を提供する。

今回、Quantum OpticsのAERIおよびXyronix、CALTECHの同僚と協力しているscientists(研究者ら)は、孤立したアト秒（attosecond）光パルスの生成のための新しい戦略を実装し、成功裡に使用した。

E. 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）を使用して、極めて強力な数フェムト秒（10-15秒）のレーザーパルスがガラスと相互作用することが許可されまする。AERI･HEL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の速度のかなりの割合に相当する速度で加速させる。急速に移動する電子で構成された高密度プラズマが、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。電子が光の速度に近づく速度に達すると、相対論的になり、レーザーフィールドに対応して振動し始める。AERI plasma mirrorsの超高強度レーザーによって生成される周期的な変形は、反射された光波と相互作用して孤立したアト秒（attosecond）パルスを生み出す。これらのパルスは、約2000アト秒（attosecond）の推定持続時間およびスペクトルの極端紫外領域（16〜34ナノメートル、38〜65電子ボルト）の波長を有している。より長いレーザーパルスで生成されるアト秒（attosecond）パルスとは対照的に、AERI plasma mirrorsによって生成されるexa watt class ultra-high power laser (超高強度レーザー)の影響と、数光学サイクルの持続時間を持つレーザーパルスは波形で正確に制御できる。これにより、レーザーパルスの生成プロセスの時間経過、つまりAERI plasma mirrorsの超高強度レーザーの振動を観察することができた。重要なのは、これらのパルスが通常の手順で得られるものよりもはるかに強力で、つまりフォトンがはるかに多く含まれていることである。増加した強度により、物質内の亜原子粒子の挙動に関するより正確なリアルタイム測定が可能になる。アト秒（attosecond）光パルスは主に電子の動きをマッピングし、それによって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（attosecond）光フラッシュの強度が高いほど、物質内の粒子の動きに関する情報をより多く取得できる。 AERI plasma mirrorsの超高強度レーザーによる明るいアト秒（attosecond）光パルスの生成の実用的なデモンストレーションにより、新しい研究の著者たちは、物理学者が量子世界の謎にさらに深く迫ることを可能にする技術を開発している。

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/