オーストリア科学技術研究所の科学者らが、交差するレーザー光線を用いた技術を開発し、単一のエアロゾル粒子を捕捉・充電し、電気変化をリアルタイムで観察した。この方法はPhysical Review Lettersに詳述されており、嵐の雲内のプロセスを模倣し、雷の発生メカニズムを解明する可能性がある。輝く粒子は二光子過程を通じて電子の損失と突然の電荷バーストを明らかにする。
ISTAの博士課程学生Andrea Stöllner氏と准教授Scott Waitukaitis氏率いる研究者らは、2本の精密に整列したレーザー光線を用いた光学ピンセット装置を作成した。これらの光線は、雲の氷結晶のモデルとなる単一の透明シリカ球を密閉容器内の安定したトラップに保持する。ほぼ4年間かけて構築されたこのシステムは、現在粒子を数週間保持可能で、2年前の初期3分間捕捉から大幅に改善された。
レーザーは当初中性の粒子を二光子過程で充電し、2つの光子を同時に吸収して電子を放出、陽電荷を付与する。露出が続くにつれ、粒子の輝きが進行する充電を示し、レーザー出力を調整して精密制御が可能。Stöllner氏は「中性から高電荷まで1つのエアロゾル粒子の進化を精密に観察でき、レーザー出力を調整して充電速度を制御できる」と述べた。
意外なことに、高電荷粒子は突然のバーストで電荷を放出、雷雲内の自然放電に似ている。雷雨では氷結晶が衝突して電荷交換し、電気的不均衡と雷を引き起こす。現在の理論は氷結晶か宇宙線が初期スパークを提供するかを議論するが、雲の電場だけでは不十分らしい。Stöllner氏は「新装置で粒子の時間的充電ダイナミクスを詳細に調べ、氷結晶理論を探求できる」と説明した。
実験粒子は自然氷結晶より小さいが、チームはこれらの観察が大規模大気電化を照らすことを期待。Stöllner氏は初成功を「粒子を初めて捉えた時、興奮の極みだった」と振り返る。振動防止テーブルが緑色レーザー光線を乱れから守り、精度を確保。
Isaac Lenton氏らとの共著でPhysical Review Letters (2025; 135 (21))に掲載。この研究は、雲粒子の厳しい天候における役割理解を進展させる。