早坂　和弘

はじめに
　われわれの身の回りの様々な発光現象を量子論的に考えてみると、その多くは自然放出と誘導放出という二つの発光の様式に帰着される。誘導放出が人為的に制御出来ることは比較的古くから知られており、その応用例のひとつがレーザーである。自然放出は物質に特有の性質で、制御することができない現象だと長い間理解されてきたが、物質の両側に反射鏡を置くことで光を受け入れる空間の構造に変化を与え、これによって自然放出を制御できることが近年、明らかになってきた。一般に光が往復できるように反射鏡を二枚対向して置いたものを共振器と呼ぶか、その反射率や間隔を変えることで、中に置いた物質の自然放出を何十倍にも増幅させたり、逆に何十分の一まで抑圧したり、あるいは、まったく異なる振る舞いをさせたりできることが理論的に予測され、実際に観測することが可能になってきたのである。共振器によって変化を生じた空間と物質との相互作用を研究する分野は共振器量子電磁力学と呼ばれており、物理学では現在最も盛んに研究が行われている分野の一つである。「共振器量子電磁力学」は”cavity quantum electrodynamics”の訳であるが、研究者たちは通常、”cavity QED”と呼ぷので、ここでも以後はその様に呼ぶこととする。また、cavity QEDの分野でも、半導体上に形成した微小共振器を使って新しいタイプのデバイスを開発することを主眼にする研究と、原子を使った単純な実験系で新しい物理現象を明らかにしていこうという研究の二つの流れがある。一般に、新しい技術の開拓は新しい現象の発見を出発点としていることが多く、後者のタイプの研究も今までにはない新しい光の制御技術の開拓につながっていくことが期待される。本文で対象としているのは後者のタイプの研究についてである。

冷却イオンとcavity QED
　cavity QEDの実験に最も理想的な実験系は、一つの原子を一つの共振器の中に静止させた系である。これは原子と共振器の場が相互作用する最も単純な系であり、理論の予測と直接比較ができる実験系である。しかし、この純粋な実験条件を作り出すことはまだ実現されておらず、通常は共振器の中心を通る原子ビームで実験を行う。この場合、調べたい現象は原子集団の速度のばらつきや、短い相互作用時間などによる制約を受け、直接観測することが難しい。そこで、それらの制約を考慮した解析を通して実験結果を解釈するということが行われている。もし、原子一つを長時間、共振器の中心に止めておくことができるならば、調べたい現象がそのまま観測できるし、その現象を使った応用も考えることができる。
　原子を共振器の中心に静止させようとすると、実験的には実に多くの困難が伴う。室温での原子は数百メートル毎秒の速度を持つので、まず、レーザー冷却という手法で減速する。「レーザー冷却」という名称であるが、温度とはそもそも原子の不規則な運動の激しさの尺度として定義されいるので、減速させてこの運動を減少させることは温度を下げることに相当し、「冷却」と呼ばれているのである。減速しただけでは原子がそのまま拡散してしまうので、レーザー光と静磁場で出来る磁気光学トラップというポテンシャル井戸の中に原子を蓄積する。しかし、磁気光学トラップの作り出せるポテンシャル井戸の深さは非常に浅いので、高真空中にわずかに残留したガスとの衝突により、短時間のうちに外に出ていってしまう。こういった難しい条件の中で、ただ一つだけの原子を選んで空間に止めておくことは至難の技である。一つの原子を冷却して観測した実験は、つい最近になって一例が報告されたにすぎず、しかも原子を静止させておいた時間は1秒に満たない。
　しかし、イオンを一つだけ静止させるのはこれに比べると簡単である。イオンと原子の違いはイオンが電荷を持っているということであり、このために電磁場を使って運動に強い制御を施すことができる。 rfトラップというイオントラップでは、イオンの質量と電荷の値に応じた周波数と電圧の交流電場をかけてやることによってイオンに周期的な運動をさせ、電極間に長時間ためておくことができる。さらにレーザー冷却を使って減速することにより、イオンはトラップの中心で静止するようになる。温度で1mK （絶対温度で1/1000度）以下まで冷却したイオンを数μm四方の領域に静止させておくことが一般的には可能であると言われている。交流電場がイオンに対して作るポテンシャル井戸の深さは、残留ガスとの衝突にも十分耐えうる大きさなので、イオンを数時間にわたって蓄積しておくことができる。したがって、イオンを一つだけ生成して静止させておくことは原子に比べれば比較的簡単であり、国内だけを見回してもわれわれを含めて4グループほどが成功している。なお、共振器の作る光の場との相互作用を考えるとき、イオンは電荷を持っているという点を除いては原子と同等であるので、理論的には原子とまったく同等に扱うことができる。このように、レーザー冷却したイオンを使えば理想的なCavity QEDの実験系が実現できることは幾つかのイオントラップの研究グループから指摘されていたが、実際に実験まで行った例は現在まで報告されていない。

イオンの自然放出を変化させる実験
　われわれのグループでは、光領域での超挟線幅のスペクトル線の観測を主な目的として、以前からカルシウムイオンをrfトラップに蓄積し、レーザー冷却する実験を行ってきた。今回、レーザー冷却したイオンの自然放出を共焦点共振器を使って制御する実験を行った。cavity QEDの実験に冷却されたイオンを使うのは初めての試みである。共振器を、その球面鏡の曲率と球面鏡間の間隔が等しくなるように配置すると、原子の発する光が共振器に共鳴する周波数を持つ際には自然放出が増強され、非共鳴の際には逆に抑圧されることが理論的に予測され、また原子ビームを使った実験でも確かめられている。われわれの実験の目的は、冷却したイオンを使ってこの現象を直接的に観測することと、増強された自然放出光をイオンの高感度の検出に応用可能かを実験的に調べることである。
　実験は図1に示すセットアップで行なった。反射率が90％で、曲率半径が50mmの球面鏡を2枚用意して、トラップ電極の中心と共振器の中心が重なるように配置し、これらを超高真空のチャンバーの中に設置した。数百個のイオンをトラップし、レーザー光を照射してレーザー冷却した。その螢光のスペクトル分布から、少なくとも絶対温度で10K（摂氏 -263度）以下まで冷却されていることが確認できた。また、イオンの像を高感度の撮像装置を使って撮影したところ、図2に示すように数10μmの領域に静止しているのか確かめられた。このあと、共振器の鏡に付けてあるピエゾセラミック素子に電圧をかけることで鏡の間隔を変えて、共振器の軸方向で螢光強度の変化を測定した。その結果、図3に示すようにかけた電圧に応じて螢光強度が強くなったり、弱くなったりするのが観測された。これは、共振器の共振周波数に応じて、カルシウムイオンの自然放出の確率が変化したためである。

▲図１　イオンの自然放出の変化を観測する実験装置

▲図２　空間に静止したCaイオンの像

▲図３　観測されたCaイオンの自然放出の変化

　現時点では35％程度の強度変化しか観測されていないので、冷却イオンを用いたcavity QED実験の利点を主張するには少々難があるが、今後、イオンの位置の微調整をしたり、球面鏡の収差の影響を除くためのピンホールを挿入することで、4倍程度の発光強度の増強と1/4への抑圧が観測されることが期待され、理論との直接的な比較や応用が可能になってくると考えている。また、実験条件を最適化すれば一つのイオンを使った実験も可能であるが、そうすれば最も理想的な実験系を実現できる。

おわりに
　つい最近になって、一つの原子によるレーザー発振を実現できたという驚くべき実験結果が米国の研究グループによって報告された。この実験は、散乱や吸収が極限的に少ないスーパーキャビティと呼ばれる共振器を使うことによって初めて可能になった、技術的に最先端の実験であるが、原子に関してはオーブンで生成される原子ビームを用いており、直接的にレーザー発振を確認することは出来なかった。その速度分布を考慮した解析のプロセスを通してレーザー発振がやっと確認されたのである。彼らは速度の揃った原子を使えば更に詳細にこの現象を調べるられることを指摘しているが、冷却したイオンはまさに速度0に揃えられた「原子」であり、これを使えば理論と直接比較のできる観測が可能である。この例に限らず、レーザー冷却したイオンをcavity QEDの実験に使うことで、原子と電磁場の新しい相互作用を明らかにすることや、これらの現象を応用した新しいタイプのデバイスの開発などが可能になるだろうと考えられる。

（関西支所　電磁波分光研究室）

「きく６号による通信実験速報」

鈴木良昭

　21世紀にかけて必要となる高度衛星通信技術及ぴ 2トン級大型実用衛星を実現するための技術基盤を確立することを目的とした、技術試験衛星VI型「ETS-VI：きく6号」は、平成6年8月28日に打ち上げられ、現在3日回帰の楕円軌道を周回しています。
　郵政省通信総合研究所は、宇宙ステーションや月面基地、静止軌道通信総合基地等将来の宇宙活動に不可欠な宇宙通信インフラストラクチャ一の確立を目指して、Sバンド（2.3/2.1GHz）衛星間通信機器（宇宙開発事業団と協力して開発）、ミリ波帯衛星通信機器及ぴ光通信基礎実験装置を開発し「きく 6号」に搭載しました（図1にきく6号の外観を示す）。

▲図１　きく6号の外観

　当初、「きく6号」か静止衛星となることを想定して各種通信実験を計画していましたが、衛星に搭載した通信実験機器は楕円軌道上でもかなりの実験が可能であることから、平成6年10月からの衛星搭載実験機器の機能確認試験に引き続き、12月から宇宙開発事業団の協カを得て各種通信実験を開始しました。
　現在までの実験成果は次のとおりです。

Sパンド衛星間通信機器（SIC）による実験
　SICは宇宙開発事業団と共同で開発した装置で、 Sバンド・マルチピーム・フェーズドアレー・アンテナを搭載しています。これは、送信1ビームと受信2ピームを独立に生成でき、同時に2つの衛星とのデータ中継が可能な、世界でも最先端の高機能アンテナです。
　これまで、マルチピーム・フェーズドアレー・アンテナのビーム制御プログラムの機能確認及ぴSIC 中継器の動作特性の試験を実施しており、目標衛星を自動追尾できる機能を有するビーム制御プログラムが、正常に動作すること及ぴSIC中継器の動作特性が良好であることを確認しました。
　また、当初の実験計画にはありませんでしたが、三軸姿勢確立前の衛星のスピン状態を利用して、上記アンテナの軌道上におけるビームパターンの測定を実施することができました。実験の結果、軌道上におけるビームパターンは、理論計算値と良く一致し、当初計画にはない貴重なデータを得ることができました（図2参照）。さらに、双方向の音声通話実験やデータ伝送実験に成功しています。

▲図２　SIC受信ビームパターン
　　　　　　　　　（実線：実測値、点線：理論値）

　なお、米国では将来のデータ中継衛星システムに Sバンド・マルチピーム・フェーズドアレー・アンテナを導入する模様です。

ミリ波帯衛星通信機器（OCE）による実験
　当所では、「さくら」，「きく2号」更にECSと世界に先駆けて高い周波数帯の開発を進めてきましたが、これらに続く新周波数帯開発の一環として、非軍事用としては世界で最も高い周波数の38GHz /43GHz帯を使用するOCEを開発し、衛星に搭載しました。しかも最新のミリ波帯半導体素子を送信部に使用した全固体回路化を実現しました。
　実験では、「きく6号」に搭載されているミリ波アンテナを、茨城県の当所鹿島宇宙通信センターヘ正確に指向させ、ミリ波による双方向の通信リンクを確立しました。その後、OCEへの入力信号電力に対する出カ信号電カ等、中継器の基本特性の測定実験を実施し、最新のミリ波帯半導体デバイスを出力電力部に用いた全固体化中継器が正常に動作していることが確認されています。

光通信基礎実験装置（LCE）による実験
　LCEは、世界初の光による宇宙通信実験を目指すため、衛星搭載の光送信素子として半導体レーザを使用し、小型軽量化を実現した光通信装置です。
　実験では、まず東京都小金井市にある当所構内の光通信地上局から「きく6号」ヘ向けてアルゴンレーザ光を送信し、衛星に搭載されているCCDセンサ及びQDセンサ（QD：Quadrature Detectorの略。 4つの小型の光検出器を縦横に組み合わせたものでレンズによりレーザビームを検出器上に結像し、各々の検出器の光量の比から到来ビームの方向を検出する）でレーザ光の検出に成功しました。CCD 及ぴQDセンサは、検出したレーザ光を自動追尾することによって、衛星から地上ヘ送信するレーザ光の方向決定を行う重要な機能を持ったコンポーネントです。
　その後、光通信地上局からのレーザ光を自動追尾しなから、LCEに搭載した半導体レーザ光を光通信地上局へ向けて送信し、世界で初めて、そのレーザ光を地上で検出することに成功しました。
　この世界初の光による地上と衛星間の双方向伝送実験の成功は、有人宇宙時代の衛星間通信技術として不可欠な、宇宙光通信技術による高速大容量の情報伝送の実現に道を開くものです。
　しかし、大気のゆらぎによって、地上から衛星へのレーザ光強度が大きく変動し、衛星上での地上からのレーザ光自動追尾が不安定なため、現在更に、レーザ光に情報をのせて安定して伝送する光通信の実現へ向けて実験を継続しています。

▲図３　地上望遠鏡で捉らえた衛星からのレーザ光

今後の予定
　ETS-VIは、当初予定の静止軌道と異なる楕円軌道を周回しているため、強い放射線環境による衛星の寿命劣化が予想されていますが、できる限り多くの実験項目を実施し、有益な結果をさらに得るべく努カをしています。
　今後、Sバンド実験では、マルチビーム・フェーズドアレー・アンテナの高度なビーム制御機能を活かした通信実験を実施する予定です。ミリ波実験では、広大な未利用周波数帯であるミリ波帯の特長を生かした大容量衛星間通信システム、そして、アンテナが小型化できる特長を生かした、超小型地球局によるミリ波パーソナル衛星通信システムの実現のための通信実験を実施する予定です。また、光実験では、地上からのレーザ光出力を増強すること等により、春以降の昼間でも実験を行う予定です。
　これまでの実験で、各搭載機器の基本性能の確認やレーザ光の双方向伝送の成功等、有意義な成果が得られました。衛星搭載実験機器の開発成果及び今後の実験成果と併せて、将来の本格的衛星間通信技術の確立へ向けて、成果を反映させていきたいと考えます。

（宇宙通信部　衛星間通信研究室）

ドイツ・マックスプランク研究所に滞在して
－研究者フレンドリーな研究環境－

菊池　崇

　平成6年7月から7年2月まで北ドイツ、Katle nburg-Lindauにあるマックスプランク超高層物理研究所（Max Planck Institute for Aeronomy）に滞在し、EISCATレーダーとオーロラ帯から磁気赤道に展開する地磁気観測チェーンのデータを用いたグローバル地磁気擾乱の研究を行った。当研究所は太陽プラズマ大気、惑星間空間、磁気圏、電離圏熱圏、下層大気までの広範な領域の研究を行っている国立の研究機関であるが、運営はマックスプランク財団が行っている。マックスプランク研究所は自然科学のみならず人文関係分野も含めてドイツ各地に数多く設立されているが、同し分野の研究所としてミュンヘンのMPI for Extraterrestrial Physics が成果を競っている。
　当研究所には私も含めて多くの外国人研究者が財団によって招聘されている。また多くのポストドクの若い研究者や大学院から学部学生まで財団からの資金援助を得て研究を行っている。外国人研究者とその家族は研究所から徒歩数分のところにあるゲストハウスで生活する。最近の国際情勢を反映してロシア人研究者が多く滞在しており、財団が認める最長3年の滞在期間をフルに活用していた。
　研究所の居室は欧米のどの研究所もそうであるように小さな部屋が基本であり、ゲストや学生は2～ 3人が1室を共用する。各机上に端末装置があり、データベースのアクセスは部屋で行い、出力は各階廊下のプリンターに出すシステムであった。データべースはハードディスクに整理されて入っており、 24時間、所内、所外からアクセス可能であり、処理ソフトも長年の蓄積があって、私のような一時滞在者か短期間で仕事をするには効率的な体制であった。計算機の使用に関しては技術スタッフが何人かいて、相談にのってくれるが、解析ソフトの細かい話になると同じグループの研究者が最も良いアドバイザーであった。
　生活面での支援体制も整っており、外国人研究者のためにあらゆる相談にのってくれる女性担当者がいる。彼女はゲストにとって最も重要な存在であり、ビザ延長、医者の予約、アパートの電気スイッチの故障、なんでも困ったことがあるとこの女性の部屋へ行くか電子メールで連絡すると解決した。日本へ帰ったあとも銀行口座をクローズするための事務手続きを依頼している。ゲストハウスでは長期滞在している研究者夫妻がボランティアとして我々新参者の面倒を見てくれる。買物の要領、ゴミの出し方、車の買い方、野外バーベキュー、クリスマスパーティーの計画など広範囲にわたっている。

▲写真１　夏になると近隣の市、町、村で夏祭が開
　　　　　かれ、レクレーション広場でバンド演奏、
　　　　　ビール、ソーセージを楽しむ。子供用に
　　　　　移動式のメリーゴーランドなどもある。

　研究予算は潤沢とは言えないが、私を招聘してくれたホスト氏によると8割方満足のいく予算を持っているとのことであった。旅費も潤沢ではないが、ゲストを含めて最低、年1回の国際研究集会参加は可能とのことであった。私が日本へ帰国後に出席する予定であったインドネシアの赤道超高層シンポジウム出席旅費についても航空運賃を支給してくれた。研究集会での彼らの態度は実に積極的で、ほとんど休みなくディスカッションを行い、自分が持っていないデータを入手したり、今後の共同研究をも生み出している。彼らが研究集会出席を重要な研究活動と見ていることが分かる。
　研究所長はこの分野で名が知れ渡った3名の学者からなり、数年交代で、そのうちの1人がManaging Directorとして責任を負う。毎週開催される運営会議には、3名の所長、事務長のほかに研究者から選挙で選ばれた3名の代表が参加する。研究者代表はいずれも第一線で活躍している研究者であり、このような制度のおかげか、プロジェクトリーダーのような重要なポストの研究者も通常は研究に専念し、着実に論文を発表している。所員への情報伝達は毎週はじめに一人ひとりに配付される1枚～数枚のA4コピー情報紙と掲示板で行われる。情報紙の内容は運営会議の抄録、計算センターや図書室からのお知らせ、セミナー案内、そして車やステレオ装置のリサイクル情報まで含んでいる。

▲写真2　Burgberg（城山）小学校の入学式。校長
　　　　　が学校の沿革から子供に対する注意事項
　　　　　まで説明する。ビデオ、カメラの列は日
　　　　　本の入学式風景と同じだか、親も先生も
　　　　　ネクタイ、スーツからシーンズまでバラ
　　　　　エテイーに富んでいる。子供か手にして
　　　　　いる円錐形のTueteにはお菓子など親か
　　　　　らのプレゼントか一杯つまっている。授
　　　　　業時間表ばどのクラスも共通だか、先生
　　　　　の都合であるクラスだけ休みだったり、
　　　　　始業時刻が遅くなったりする。

　研究を支援する職種としてセクレタリーがある。セクレタリーは物品購入、郵便物の授受、出張手続きのほか、論文清書などの仕事を行う。特に、最近の論文は原稿の段階で印刷可能なものを用意する場合か多く、原稿を所定のフォーマットに仕上げる仕事が重要となっている。私のホスト氏はセクレタリーがいなかったら、自分の研究成果の半分はなかっただろうと言っていた。事務員の数も研究所の規模の割に著しく少ないように見える。恐らく、事務手続きが単純なのとセクレタリーが事務的な仕事を分担しているためであろう。私の赤道シンポジウム出席旅費の決裁は、ホスト氏が所長に提出したメモの余白に、所長がサインをしてそれを会計係にまわすというものであった。
　研究者の生活レベルがどうかということはよく分からないが、ドイツ国民一般の生活はかなり豊かであるという印象を受けた。綱の目のように張りめぐらされている高速道路は無料で、そこを200キロのスピードで走るベンツやBMWなどの車が研究所の駐車場にもたくさん見られた。広々とした家に住み退職後の年金は年収の75パーセントという。研究、勉強、著述、またボランティアとして社会活動をする人も多いという。研究所のシステムは事務的な仕事を簡略化し、研究者をいわゆる雑用から解放しているように見える。特に、40代、50代のエスタブリッシュされた研究者が実質的な研究を行うことで名実共に各研究分野のりーダーとしての役割を果たしているのが印象的であった。
　最後に、招聘を受けるに当たって、快く承認していただいた所長、企画部長はしめ、出張事務でお世話になった方々に深謝します。

▲写真3　St.Martin祭。貧者に自分のマントを分
　　　　　け与えた騎士にちなんだお祭り。子供た
　　　　　ちかLaterne（提灯）を下げ、家々の前で
　　　　　敬をうたいお菓子やお小遣いをもらう。形
　　　　　ば違うが日本の「いのこ」を，思い出させる。