Investigation of nonlinear resonant inelastic X-ray scattering

Research Project

Project/Area Number	21H03746
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	Tamasaku Kenji 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, チームリーダー (30300883)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000) Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000) Fiscal Year 2021: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
Keywords	X線非線形光学 / X線自由電子レーザー / ２光子吸収 / 共鳴非弾性X線散乱 / 蛍光X線 / X線非線形分光 / 非線形光学 / 発光分光 / X線発光分光器
Outline of Research at the Start	本研究では、非線形な共鳴非弾性X線散乱が可能であることを世界で初めて実証する。その上で、非線形な共鳴非弾性X線散乱を、酸化状態やスピン状態の異なる物質に適用し、それらの状態がスペクトル上にどのように現れるかを明らかにする。非線形な共鳴非弾性X線散乱の原理的な実証実験と基礎的な研究は、既存の装置でも測定可能と考えられる銅箔を用いて行う。より詳細な電子状態の研究には、マンガン化合物の水溶液を用いる。密度の低い水溶液でも非線形な共鳴非弾性X線散乱を測定するために、格段に高感度な大口径の走査型発光分光器を開発する。
Outline of Final Research Achievements	We proposed a novel X-ray nonlinear process, which is nonlinear resonant inelastic X-ray scattering (RIXS), and developed a dedicated high-performance emission spectrometer. We successfully observed the nonlinear RIXS process, and applied it to nonlinear spectroscopy. Using our analysis method, we interpreted the two-dimensional spectrum measured by the nonlinear RIXS on copper, which revealed detailed information about the electronic state that could not otherwise be obtained.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	X線領域の非線形光学において、これまでに知られていなかった新しい2光子過程を実現した。さらに、これを利用すると従来の蛍光Ｘ線分光法に比べて、より詳細に電子状態が調べられることを示した。この成果は、物理や化学といった分野だけでなく、生物学まで含めた広範な応用が期待される。例えば、光合成に関わる光化学系IIでのマンガンの電子状態の変化といった、従来の蛍光Ｘ線分光では困難な反応過程の理解に貢献する可能性がある。