圧電素子の仕組み解明！結晶構造が圧力により変化することで発電

　圧電素子とは何か？

　圧電素子とは、圧電体に加えられた力を電圧に変換する、あるいは電圧を力に変換する、圧電効果を利用した受動素子で、 ピエゾ素子ともいわれる。水晶振動子も圧電素子の一種であるが、別扱いにされることが多く、水晶より安価な材質を使ったものを指して圧電素子と呼ぶことが多い。アクチュエータ、センサとしての利用の他、アナログ電子回路における発振回路やフィルタ回路にも用いられている。

　圧電素子でだれもが思い出すのが、点火装置であろう。ガスコンロやチャッカマンの「カチッ、カチッ」という音は、圧電体を2枚の電極で挟んだ素子を基本としている。圧電体に圧力をかけると、電極に電流が流れる仕組みだ。しかし、圧力を加えるとなぜ電流が発生するのだろうか？

　圧力素子としてよく使われているのが、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）。金属酸化物であるチタン酸鉛とジルコン酸鉛の混晶である。東京工業大学の高木豊、白根元、沢口悦郎らにより1952年に発見された。鉛を含有する特定有害物質であるが、現在のところ圧電材料として代替できるほどの特性を持ったものが他に存在しないため、RoHS指令の適用免除対象となっている。

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参考　Wikipedia：　圧電素子　チタン酸ジルコン酸鉛　サイエンスポータル：　圧電体の特性測定、60年の問題に決着

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高温高圧「熱い氷VII」が融ける新メカニズムを発見！氷にあるXV（15）のタイプ

　氷にあるXV（15）のタイプ
　今年はよく雪が降る。湘南ではこれほどの雪を見ることはほとんどない。雪といえば氷の一つであるが、世の中に熱い氷が存在するのはご存じだろうか？圧力が10 GPa（ギガパスカル）では数百度という高温の氷（VII）が存在する。「VII」というのは7番目を表す。

　ふつうの氷は無色透明で六方晶系の結晶を持つ。これを氷Ih という。融点は通常の気圧で摂氏0度。だが、圧力を変えることで相変化を起こし、結晶構造や物理的性質に差のある、さまざまな高圧相氷になることが知られている。

　この場合、我々が普段目にする「普通の」氷は「氷I」と呼ばれる。現在のところ、圧力が高い状態において氷（II）から氷（XV）まで発見されている。特に、きわめて高い圧力下では、水素結合が縮んで水分子の配列が変わる。このように様々な相が存在することを多形という。

　今回、岡山大学の研究チームは、コンピューターシミュレーションによって、高温高圧での氷が融ける新しいメカニズムを世界で初めて発見した。

参考　マイナビニュース：高温高圧で「熱い氷」が溶けるメカニズム　WIRED：「熱い氷」がある世界！超高圧で第XV相の氷発見　Wikipedia：　氷

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反水素原子合成反応の持続と反原子ビームによる検出に成功！東大など

　人類は反物質の謎を解明できるか？
　反物質（antimatter）は、質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質。例えば、電子はマイナスの電荷を持つが、反電子（陽電子）はプラスの電荷を持つ。

　物質と反物質が衝突すると対消滅を起こし、質量がエネルギーとなって放出される。これは反応前の物質・反物質そのものが完全になくなってしまい、消滅したそれらの質量に相当するエネルギーがそこに残るということである 。

　そのエネルギーは、原子力核分裂の千倍。核融合の100倍。将来は反物質をコントロールして、宇宙船の燃料として使用することをNASAでは期待している。

　今回、東京大学などの研究チームは、欧州原子核研究機構(CERN)において反陽子を「カスプトラップ」中に補足。これに反陽子に高周波を加えて陽電子プラズマに混合することで、反水素原子合成反応を持続させた。さらに合成領域から2.7m離れたところに反原子をビームにして検出することに成功した。

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参考　マイナビニュース：東大など、反水素合成反応の長時間持続と反原子ビームの検出に成功　Wikipedia：反物質 

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世界初の発見！真空紫外線が金属ナトリウムを透過した！JAEA

　真空紫外線とは何か？紫外線の種類
　紫外線（UV）は波長が10～400 nm、即ち可視光線より短く軟X線より長い不可視光線の電磁波である。光のスペクトルで紫よりも外側になるのでこの名がある。英語のultraviolet（UV）も「紫を超えた」という語から来ている。

　紫外線は、波長によって、近紫外線 （波長 380–200 nm）UV-A、UV-B （波長 280–315 nm）、UV-C （波長 200–280 nm）、真空紫外線 (VUV, Vacuum UV) （波長 10–200 nm）、極端紫外線 （波長 10 nm 以下）に分けられる。通常はUV-A、UV-Bしか地上に到達しない。

　このうち、真空紫外線 (VUV)は、酸素分子や窒素分子によって吸収されるため、通常は地表には到達しない。真空中でないと進行しないため「真空紫外線」 (vacuum ultraviolet)と呼ばれる。1893年にドイツのヴィクトール・シューマンによって真空紫外線が発見された。

 今回、日本原子力研究開発機構(JAEA)は、金属の一種であるナトリウム中を真空紫外線が透過することを確認した。

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参考　日本原子力研究開発機構：　紫外線が金属ナトリウムを透過することを検証
Wikipedia：　紫外線

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ガラス特性の定説、覆る可能性！ガラスの持つもう一つの意味とは？

　固体？液体？あいまいなガラス
　ガラスと言えば、ケイ酸塩を主原料としている、窓などに使われる透明な物質を思い浮かべる。だが、科学の分野では、より広く非晶質（アモルファス）の固体はすべてガラス状態と見なされる。その意味では、プラスチックも金属もガラス状態になる。

　ガラスに共通の特性として、ガラス転移というものがある。通常、固体の結晶を加熱してゆくと、融点で液体に変わり始め、固体と液体が共存する間は温度が融点に維持され、固体が全て液体に変わると、またその温度が上昇してゆく。

　だが、ガラスの固体を加熱した場合は、低温では結晶なみに堅く、流動性がないが、ある温度の幅で急に粘りけが増し、飴のように流れ出す。固体とも液体ともいえないようなねばねばした状態になる特性がある。

　このため、ガラスは、通常でも固体と液体の区別がはっきりしない物質と考えられ、固体のように見えても、液体の性質を持ち、長い年月をかけて形を変えるものと考えられてきた。例えば「中世の教会を飾るステンドグラスは下部ほど厚い」という理由を、ガラスが長い時間をかけて液体のように下方へ流動するからだという。

　ところが最近、ガラス形成の仕組みに関する基礎研究を行っていたグループが、類似した特性を持つ琥珀（こはく）の分子構造について、数千万年の間ほとんど変化しないという事実を突き止めた。

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参考HP　Wikipedia：ガラス　ガラス転移点　　私編雑学ノート： ガラスの話　National Geographic news：ガラス特性の性質、覆る可能性

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18歳が一流誌に「量子もつれ」論文を掲載！粒子は空間も時間も超越する？

　18歳が一流誌に「量子もつれ」論文を掲載
　18歳の青年が、量子コンピューター実現等のカギを握る「量子もつれ」を扱った論文を、世界有数の権威ある物理学誌『Physical Review A』に発表した。15歳から量子の世界に取りつかれたという彼の子ども時代等を紹介。物事は一直線に進んだわけではなかった。
 
　アリ・ディコフスキーは15歳のときに、PBSのドキュメンタリー番組で物質の新たな相であるボース＝アインシュタイン凝縮（BEC）の生成に取り組む物理学者たちを知った。そのとき直観に反する量子の世界に魅了され、同時に、人々がこれまで見たことのないものを生涯をかけて作り出すという考えに心を打たれた。
 
　「BEC」は、1920年代にアルベルト・アインシュタインとインドの科学者サティエンドラ・ボースによってその存在を予言されていたもので、固体でも液体でも気体でもない。プラズマでもない。超低温状態でのみ生じ、不可思議な量子力学特性を示すBECは、そのいずれとも異なる物質相であり、複数の原子が集まってひとつの「超原子」として振る舞い、粒子が波のような挙動を示すものだ。

 
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参考HP　WIRED：18歳が一流紙に「量子もつれ」論文掲載　量子もつれは時間も超越

	量子もつれとは何か―「不確定性原理」と複数の量子を扱う量子力学 (ブルーバックス)
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	量子力学の反常識と素粒子の自由意志 (岩波科学ライブラリー)
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「ヒッグス粒子」ついに発見！存在確率“99.9999％”以上、標準模型が完成！

　新しい素粒子「ヒッグス粒子」発見
　欧州合同原子核研究機構(CERN)は4日、物質に質量を与えたとされる仮説上の素粒子「ヒッグス粒子」とみられる新しい素粒子を発見したと、発表した。2つの国際チームによる探索実験の結果、質量125-126GeV(ギガ電子ボルト)付近に、新素粒子が99.9999%以上の確率で存在することが分かった。年内にさらに実験を繰り返し、発見を確定させるという。

　宇宙が誕生した137億年前の大爆発(ビッグバン)によってヒッグス粒子を含むあらゆる素粒子が光速で飛び回った。その約100億分の1秒後に、宇宙空間の状態が変わり、他の粒子の周りにヒッグス粒子がまとわりついて、動きにくくした(質量を与えた)と考えられる。この仮説は英国の物理学者ピーター・ヒッグス博士が、南部陽一郎・米シカゴ大学名誉教授(2008年ノーベル物理学賞受賞)の理論「自発的対象性の破れ」を土台に、1964年に提唱していた。

　今回、東京大学や高エネルギー加速器研究機構など日本の16機関が参加する「ATLAS」と、欧米を中心とした「CMS」の2つの研究チームが、2008年に本格稼動したスイス・ジュネーブ近郊にあるCERNの「大型ハドロン衝突型加速器(LHC)」を使って、ともに陽子同士の衝突実験を繰り返した。

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参考HP　原子炉ニュートリノ振動実験ダブルショー：素粒子の標準模型　NHK news Watch9：世紀の大発見科学者に密着取材　マイナビニュース：新しい素粒子「ヒッグス粒子」か 

	質量はどのように生まれるのか―素粒子物理最大のミステリーに迫る (ブルーバックス)
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	神の素粒子　宇宙創成の謎に迫る究極の加速器
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超伝導状態は2つある？物質が絶対零度で示す新しい臨界現象を発見！

　超伝導とは何か？
　超伝導（Superconductivity）とは、特定の金属や化合物などの物質を超低温に冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる現象。1911年、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オンネスにより発見された。この現象が現れるときの温度は超伝導転移温度と呼ばれ、この温度を室温程度に上昇させること（室温超伝導）は、現代物理学の重要な研究目標の一つである。

　なお、この現象と同時に、マイスナー効果により外部からの磁力線が遮断されることから、電気抵抗の測定によらなくとも、超伝導状態が判別できる。金属は温度が下がると電気伝導性が上がり、逆に温度が上がると伝導性は減少する。これは温度の上昇に伴って伝導電子がより散乱されるためである。この性質から、絶対零度に向けて金属の電気抵抗はゼロになることが昔から予想されていた。

このことを検証する過程で、超伝導は1911年にヘイケ・カメルリング・オネスによって発見された。超伝導となる温度（臨界温度、Tc）は金属によって異なり、例えばニオブは9.22K、アルミニウムは1.20Kとなる。 特定の物質が超低温に冷やされた時に起こる現象は「超伝導現象」（Superconductivity phenomenon）、超伝導現象が生じる物質のことは「超伝導物質」（Superconductor）、超伝導物質が超伝導状態にある場合「超伝導体」と呼ばれる。

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参考HP　京都大学プレスリリース：超伝導物質が絶対零度で示す新しい臨界現象を発見　Wikipedia：超伝導

	超伝導の基礎
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	東京電機大学出版局

	トコトンやさしい超伝導の本 (B&Tシリーズ―今日からモノ知りシリーズ)
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	日刊工業新聞社

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理論限界を突破した「ナノワイヤー型トンネルトランジスタ」とは何か？

　理論的限界を超えた省電力トランジスタ開発
　パソコンなどで使われる半導体集積回路(IC)の消費電力を現在の10分の1以下に低減できる新型トランジスタを、科学技術振興機構(JST)の冨岡克広・専任研究者や北海道大学大学院情報科学研究科の福井孝志教授らが開発した。従来のトランジスタのスイッチング特性を、江崎玲於奈氏(1973年ノーベル物理学賞受賞)が半導体において発見した「トンネル効果」現象を利用することで飛躍的に高めたもので、デジタル家電の待機電力やスマートフォンなどのモバイル機器の電池消費を大幅に減らすことが期待できるという。

　ICの開発では、構成要素となるトランジスタそのものを微細化し、集積度を高めることで、高速・高性能化、低消費電力化を実現してきた。しかし、より高集積化することで、トランジスタのオン・オフとは関係なく配線に漏れ出す「リーク電流」が問題となり、半導体にかける電圧にも理論的限界(室温で「60mV/ 桁」以下にはできないというサブスレッショルド係数の限界)があった。

　研究チームは半導体結晶技術によって、シリコン基板の上に直径80ナノメートル(ナノは10億分の1)のワイヤー状のトランジスタを数多く剣山のように林立させた構造を作り、リーク電流の出現を抑えた。トランジスタ針のシリコン基板との接合部では、電子が量子的に通り抜ける「トンネル効果」が発生し、これをトランジスタのスイッチとすることができた。その結果、理論的限界の3分の1の低電圧(21mV/桁)でトランジスタが駆動する高いスイッチング特性が得られ、回路全体の消費電力を現在のICに比べて10分の1以下に低減することが可能になったという。

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参考HP　科学技術振興機構：トランジスタの理論限界値を突破！次世代省エネデバイス実現　Wikipedia：トンネル効果

	ダイオード・トランジスタ回路入門 (Electronic Engineering Books)
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	日刊工業新聞社

	巨視的トンネル現象 (新物理学選書)
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	岩波書店

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ニュートリノの謎に迫れ！超高速ニュートリノは幻？高エネルギーニュートリノ観測！

　ニュートリノとは何か？
　物質を構成する最小の粒子を素粒子とよぶ。素粒子は大きく2種類に分類され、物質を構成する粒子をフェルミ粒子、力を媒介する粒子をボース粒子と呼ぶ。物質を構成するフェルミ粒子は更に、クォークとレプトンに分類される。クォークやレプトンの大きさはわかっていないが、仮に有限の大きさがあるとしても陽子のスケールにおいても点とみなすことができる大きさである。

　クオークとレプトンだ。レプトンには6種類あり、荷電レプトンとニュートリノに分類される。荷電レプトンは、電荷 −1 を持ち、それぞれに反粒子が存在する。荷電粒子には、電子、ミュー粒子、タウ粒子の3つがある。ニュートリノには、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの3つがある。

　クォークにも6種類あり、上系列と下系列に分類される。上系列は電荷 +2/3 を持ち、それぞれに反粒子が存在する。 アップクォーク 、チャームクォーク、 トップクォークの3つがある。下系列は電荷 −1/3 を持ち、それぞれに反粒子が存在する。 ダウンクォーク、ストレンジクォーク 、ボトムクォークの3つがある。

　ニュートリノは電荷を持たず、他の素粒子との反応がわずかで、透過性が非常に高い。そのため、原子核や電子との衝突を利用した観測が難しく、ごく稀にしかない反応を捉えるために高感度のセンサや大質量の反応材料を用意する必要があり、他の粒子に比べ研究の進みは遅かった。

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参考HP　Wikjipedia：ニュートリノ　アイスキューブ・ニュートリノ観測所

	ニュートリノ天体物理学入門―知られざる宇宙の姿を透視する (ブルーバックス)
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	講談社

	世紀の大発見がもたらす未来　超光速ニュートリノとタイムマシン
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	徳間書店

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スピントロニクスに新展開！磁石の性質を持たない新たな電子スピン配列を発見！

　スピントロニクスに新展開
　理化学研究所(理研)、東京大学(東大)、神戸大学、広島大学、高輝度光科学研究センター(JASRI)は、人工化合物Cd2Os2O7のオスミウム(Os)原子が、内向きと外向きという2通りの電子スピンの向きを持つことを発見した。この発見によって磁石の性質を持たない新しい磁気記録材料の可能性が広がるという。同成果は、理研放射光科学総合研究センター スピン秩序研究チーム有馬孝尚チームリーダー、東大 物性研究所 山浦淳一 助教らを中心とした共同研究グループによるもので、米国の物理専門誌「Physical Review Letters」オンライン版(5月28日付)に掲載された。
 
　“スピン”とは電子などの素粒子が自転しているために生じる磁石の性質のこと。スピンは磁石なので磁界の向きがあり、これを磁気モーメントと呼んでいる。固体の中には数えきれない原子が存在していて、それぞれ磁気モーメントをもっている。しかし、それぞれの磁気モーメントの向きはバラバラなのが普通だ。外部から磁場がかかっている場合に、スピンの向き（配向）がアップ、またはダウンの方向を向く。

　鉄やニッケル、コバルトなどの一部の金属は、室温しかも外部から磁場を加えない状態で、一定の領域にわたってスピンの向きがそろっているものもある。個々のスピンの磁気モーメントは互いに強め合うから、全体としての磁気モーメントは非常に大きくなる。こういった性質を「強磁性」と呼んでいる。強磁性体とはいわゆる永久磁石のことである。これまではこの強磁性体がスピントロニクスで注目されていた。

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参考HP　東京大学プレスリリース：磁石でない磁気記録を可能にする新しい記録材料

	新しい物性物理―物質の起源からナノ・極限物性まで (ブルーバックス)
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	講談社

	スピントロニクス理論の基礎 (新物理学シリーズ)
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	培風館

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おいしい解凍方法発見！ポイントは熱伝導率と温度差？NHKためしてガッテン！

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　おいしい解凍法発見！
　肉を家で冷凍すると、解凍した時に赤い液体が出てくるのはなぜだろう？

　これが“ドリップ”というもの。冷凍したときに細胞が壊れるので、その中身が漏れ出すのがその正体。肉や魚を企業が冷凍する時には、−60℃で急速冷凍するので、細胞は壊れない。しかし、普通、家庭の冷凍庫は−10℃くらいの温度で冷やすため、肉や魚を冷凍するのに長時間かかる。その間に、細胞内の血や旨味を含んだ水分が初めに凍って膨張して、細胞膜を壊してしまうことがある。

　ところが、急速冷凍したものでも、解凍方法が悪いと“ドリップ”が出て、べちゃべちゃになり、味が落ちてしまう。今度は溶ける段階で細胞が壊れてしまうからだ。では、冷凍食品の解凍はどうすればよいのだろうか？

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参考HP　Wikipedia 熱伝導率　NHKためしてガッテン！冷凍解凍に新ワザ誕生、速い！プリプリ！美味 

	冷凍保存・解凍ワザで食材使い切りBOOK―おいしく食べるレシピ保存版
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	デパック解凍・保鮮機【1600SS-?】サンテツ技研　業務用解凍機　細胞膜破壊を防ぐ解凍技術！
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魅惑的なニュートリノ！3つの振動をするニュートリノ！光速より速いニュートリノ？

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　ニュートリノとは何か？
　素粒子のうち、レプトン族には、電子、ミュ－粒子、タウ粒子とそれぞれと対を成す、3種類のニュ－トリノ（電子ニュートリノVe，ミューニュートリノVu，タウニュートリノVt）がある。ニュ－トリノは、電荷を持たないレプトンであり、他の粒子との相互作用は、いわゆる弱い相互作用しかない。

　レプトン ニュートリノは、弱い相互作用のみで現れるもので、たとえば、放射性同位元素がベ－タ崩壊する場合には、原子核の中の中性子が陽子と電子と電子ニュ－トリノに崩壊することで、電子ニュ－トリノが発生する。したがって、原子炉からは大量のニュ－トリノが発生しているし、水素などの核融合で輝いている太陽からも大量のニュ－トリノが地球にふってきている。また、パイ中間子は、短い寿命の後、ミュ－粒子に崩壊するが、このとき、ミュ－ニュ－トリノを伴う。

　これまでニュートリノは、質量ゼロと仮定されていた。しかし、最近の研究（2011年6月）により、ニュートリノが飛行中に別の種類のニュートリノに変化する「ニュートリノ振動」と呼ばれる現象を起こしている事が観測された。

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参考HP　Wikipedia ニュートリノ　ニュートリノ振動

	世紀の大発見がもたらす未来　超光速ニュートリノとタイムマシン
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	別冊日経サイエンス164 ニュートリノで輝く宇宙(カミオカンデから始まった物理学の革新)
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	日経サイエンス

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アルミを加熱、200万℃で一気にプラズマ化！世界最短波長のX線レーザー

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　X線レーザーで200万度
　X線レーザーは、X線のレーザーである。X線は波長が短く、1pm - 10nm程度しかない電磁波である。波長がおよそ10pmよりも短い電磁波であるγ線（ガンマ線）はX線の一部である。　

　レーザーというと、DVDなどで使われるレーザーが身近にあるが、これらは、可視光や紫外光の波長領域、つまり波長が数100ナノメートルの光を出すレーザーである。これに対し、X線レーザーの波長は、0.1ナノメートル以下である。この波長は原子の大きさ程度に相当するため、原子や電子の分布といった、今まで見ることができなかった非常に小さな世界を映し出すことができる。

　今回、史上最強のX線レーザーによって、アルミ片を摂氏200万℃まで加熱する実験が成功した。地球上で最も高温度に達した物質が生まれたという。これ以上の高温は、太陽や核爆発の中心部などにしか存在しない。しかし、宇宙レベルの超高温は研究チームにとって副産物にすぎなかった。

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参考HP　National Geographic　X線照射でアルミを200万度に加熱 理化学研究所X線自由電子レーザー SACLA

	図解入門 よくわかる光学とレーザーの基本と仕組み―波動光学、幾何光学、電磁光学、etc.光の性質と応用 (How‐nual Visual Guide Book)
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	パルスパワー工学の基礎と応用―プラズマ・レーザ・粒子ビーム・X線の発生と応用
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	近代科学社

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「LCGT」重力波望遠鏡とは何か？アインシュタインからの最後の宿題

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　重力波望遠鏡：「LCGT」の着工式
　アインシュタインが一般相対性理論で存在を予言した「重力波」を観測するための大型低温重力波望遠鏡「LCGT」の着工式が20日、岐阜県飛騨市神岡町東茂住であった。総工費155億円をかけ、神岡鉱山の地下200メートルに建設する。地球から7億光年離れたヘラクレス座銀河団が観測できる性能を目指す。17年春から本格的に観測を始める予定。

　重力波はアインシュタインの一般相対性理論で存在が予言された現象。重さのある物体は時間と空間をゆがめ、物体が動くと、ゆがみが波として光速で伝わるとされる。ブラックホールの誕生時や超新星爆発で重力波が出るが、極めて微弱なため、直接観測に成功した例はない。観測できればブラックホールが生まれる瞬間など未知の現象の解明につながるという。

　LOGTは長さ3キロのアーム2本をL字形に組み、双方の先端に人工サファイア製の鏡を取り付ける。レーザー光を連結点で振り分け、鏡に跳ね返って戻る時間を測る。

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参考HP　Wikipedia 重力波　東京大学宇宙線研究所　重力波グループ

	一般相対論の世界を探る―重力波と数値相対論 (UT Physics)
	クリエーター情報なし
	東京大学出版会

	重力波とアインシュタイン
	クリエーター情報なし
	青土社

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