2016/12/12

フェムト秒X線光電子回折法により強レーザー電場中の分子の構造を決定

 

大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

国立大学法人 東京大学大学院理学系研究科

国立研究開発法人 理化学研究所

公益財団法人 高輝度光科学研究センター

 

概要

高エネルギー加速器研究機構(KEK)、東京大学、立命館大学、千葉大学、京都大学、量子科学技術研究開発機構(QST)、理化学研究所(理研)、及び高輝度光科学研究センター(JASRI)の共同研究グループは、X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」を用いたフェムト秒X線光電子回折法により、赤外パルス強レーザー電場中のヨウ素分子の構造を決定することに成功しました。

これまで、光励起によりピコ秒~フェムト秒の時間領域で物質の構造変化を起こす超高速光化学反応を光電子回折法により可視化した研究例はありません。研究グループは、ナノ秒の赤外パルスYAGレーザー電場で向きを揃えた気相のヨウ素分子にフェムト秒のXFELパルスを照射して、X線光電子回折像を測定しました。その結果、YAGレーザー電場中のヨウ素分子の原子間距離は、レーザー電場により結合が弱くなるために平衡構造のそれよりも10%伸びていることを発見しました(図)。

図:YAGレーザー電場による分子配列制御
YAGレーザーoffの時は、ヨウ素分子はいろいろな方向を向いている(上図)。YAGレーザーonにすると、YAGレーザーの電場の方向にヨウ素分子の向きが揃う(下図)。さらには、YAGレーザー電場中で、ヨウ素分子の原子間距離が伸びることが(下図)フェムト秒X線光電子回折法により明らかにされた。

 

今回は赤外パルスYAGレーザーを用いましたが、光化学反応を誘起するポンプ用の短パルスレーザーを導入することで、超高速光化学反応を可視化できる可能性があります。この成果により、「分子ムービー」の実現へ大きく前進しました。

本研究は、KEKの柳下明名誉教授、和田健特別准教授、東京大学の酒井広文教授、峰本紳一郎助教、QSTの赤木浩主幹研究員、立命館大学の寺本高啓助教、千葉大学の藤川高志名誉教授、水流翔太DC3、二木かおり助教、京都大学の間嶋拓也助教、吉田慎太郎DC3、理研放射光科学総合研究センター・ビームライン研究開発グループの矢橋牧名グループディレクター、JASRI・XFEL利用推進室の富樫格研究員、中嶋享博士研究員らを中心とした共同研究グループの成果です。本研究は、X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」のビームラインBL3を利用して行われました。

本成果は、オンライン版の科学ジャーナル『Scientific Reports』の12月9日号(現地時間)に掲載されました。

 

詳細については、大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構のホームページをご覧ください。
 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―