Structure and dynamics of water-alcohol mixture studied by photo-acoustic wave and THz-mid IR two-dimensional spectroscopy

• Project/Area Number: 23K21103
• Project/Area Number (Other): 21H01898 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 坪内 雅明 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 上席研究員 (40392039)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 二次元振動分光 / 混合溶液 / テラヘルツ / 光音響波 / 光合成 / 二次元電子分光

Outline of Research at the Start

水・アルコール混合溶液の局所構造を定量的に理解し、局所構造とマクロな物性との相関から混合溶液に見られる特異的な混合比依存性の解明を目指して、「光音響波励起－二次元振動分光検出法」を新たに開発する。圧力波の一種である光音響波により瞬間的・局所的に圧力操作を行い、それに伴う局所構造の変化や安定構造への緩和を観測することでマクロな物性の特異性のメカニズムに迫る。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は光音響波励起と二次元振動分光を組み合わせることで過渡的局所構造からの緩和過程を追跡し、安定局所構造の再評価を行うために、中赤外光励起水中光音響波の効率的発生法の開発を行った。高強度ナノ秒中赤外光源（波長4500nm、繰り返し250Hz、パルス強度1 mJ）を用いて高強度水中光音響波発生を実現し、その観測を実施した。数ミリ程度の直径を有する大口径光音響波の長距離伝播（1cm以上）を実現させ、その非破壊イメージングへの適用デモンストレーションも実施した。
中赤外光を用いた二次元振動分光の実施に先駆けて、光合成タンパク質溶液に対してこれまで開発してきた可視二次元電子分光装置を適用し、色素分子間エネルギー移動や分子内振動コヒーレンスの観測を行った。光励起後に生じる色素分子間の高速エネルギー移動や、振動状態間の明瞭なコヒーレンスが観測された。我々が新たに開発した二次元電子分光装置により、これまでの研究と比べて高いシグナルノイズ比でかつ短時間に測定を完結させることができるため、これまでに得られている光合成アンテナタンパク質複合体における高効率エネルギー移動ダイナミクスに対する新たな知見を得ることができた。
本観測により準備した実験技術や解析手法は、新たに開発している二次元振動分光システムへ適用する予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

二次元分光に対する解析手法の確立、二次元電子分光装置の開発とそれを用いた水溶液中ダイナミクスの観測、光音響波発生技術の確立を終えており、残すは二次元振動分光装置の完成とそれの混合溶液への適用を残すのみである。
中赤外光発生の安定化に苦慮しており、二次元振動分光装置はまだ立ち上げ段階である。

Strategy for Future Research Activity

最終年度は中赤外光源の安定化を早急に実施し、二次元振動分光装置の早期完成を目指す。
混合溶液へ本手法を適用し、微視的構造やそのダイナミクスの解明を目指した観測を実現させる。

Research Products

• [Journal Article] 高安定高繰り返しサブ10フェムト秒可視パルス光発生装置の開発とその二次元電子分光への応用 (2023)
  • Author(s): 坪内雅明
  • Journal Title: 分光研究 Volume: 72 Pages: 136-142
• [Journal Article] Beat-frequency-resolved two-dimensional electronic spectroscopy: disentangling vibrational coherences in artificial fluorescent proteins with sub-10-fs visible laser pulses (2023)
  • Author(s): Tsubouchi Masaaki、Ishii Nobuhisa、Kagotani Yuji、Shimizu Rumi、Fujita Takatoshi、Adachi Motoyasu、Itakura Ryuji
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 4 Pages: 6890-6906
  • DOI: 10.1364/oe.480505
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mid-infrared light-induced photoacoustic wave in water and its application (2023)
  • Author(s): Tsubouchi Masaaki、Endo Tomoyuki、Itakura Ryuji
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 1 Pages: 012007-012007
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acabab
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] テラヘルツパルス光誘起水中光音響波発生とその応用 (2022)
  • Author(s): 坪内雅明
  • Journal Title: 日本赤外線学会誌 Volume: 31 Pages: 35-41
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Terahertz irradiation effects on the morphology and dynamics of actin biopolymer (2021)
  • Author(s): Hoshina Hiromichi、Yamazaki Shota、Tsubouchi Masaaki、Harata Masahiko
  • Journal Title: Journal of Physics: Photonics Volume: 3 Issue: 3 Pages: 034015-034015
  • DOI: 10.1088/2515-7647/ac0958
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] テラヘルツ自由電子レーザーによる水中光音響波発生とその応用 (2021)
  • Author(s): 坪内雅明、山崎祥他、保科宏道、永井正也、磯山悟朗
  • Journal Title: 光学 Volume: 50 Pages: 509-516
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 蛍光タンパク質内量子コヒーレンス観測のための二次元電子分光装置の開発 (2023)
  • Author(s): 坪内雅明, 石井順久, 板倉隆二, 篭谷勇児, 藤田貴敏, 安達基泰
  • Organizer: 量子生命科学会第5回大会
• [Presentation] Beat-frequency-resolved two-dimensional electronic spectroscopy with sub-10-fs visible laser pulses (2023)
  • Author(s): Masaaki Tsubouchi
  • Organizer: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2023
• [Presentation] Beat-frequency-resolved two-dimensional electronic spectroscopy with sub-10-fs visible laser pulses (2023)
  • Author(s): Masaaki Tsubouchi, Nobuhisa Ishii, Ryuji Itakura, Yuji Kagotani, Takatoshi Fujita, Tomoyasu Adachi
  • Organizer: 第38回化学反応討論会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of high-repetition-rate, ultrashort optical pulses in the visible for two-dimensional electronic spectroscopy (2023)
  • Author(s): Nobuhisa Ishii, Masaaki Tsubouchi, Motoyasu Adachi, Ryuji Itakura
  • Organizer: The 12th Asia-Pacific Laser Symposium (APLS2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高繰り返しサブ6フェムト秒可視光パルス発生 (2023)
  • Author(s): 石井順久、坪内雅明、安達基泰、板倉隆二
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [Presentation] サブ10フェムト秒時間分解二次元電子分光法を用いた人工蛍光タンパク質における振電コヒーレンスの観測 (2022)
  • Author(s): 坪内雅明、石井順久、板倉隆二、篭谷勇児、清水瑠美、藤田貴敏、米谷佳晃、安達基泰
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] 二次元電子分光のための高繰り返し極短可視光パルス光源開発 (2022)
  • Author(s): 石井順久、坪内雅明、安達基泰、板倉隆二
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 二段階パルス圧縮法を用いた5.5 fsパルス光の発生とその時間分解二次元電子分光への応用 (2022)
  • Author(s): 坪内雅明、石井順久、安達基泰、板倉隆二
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] テラヘルツ自由電子レーザーによる水中光音響波発生とその応用 (2021)
  • Author(s): 坪内雅明
  • Organizer: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2021
• [Presentation] 液膜ジェットを用いたプラズマミラー周波数分解光ゲート法 (2021)
  • Author(s): 遠藤友随、坪内雅明、板倉隆二
  • Organizer: 原子衝突学会第46回年会
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光音響波発生装置、光音響波発生方法及び組成推定方法 (2022)
  • Inventor(s): 坪内雅明
  • Industrial Property Rights Holder: 量子科学技術研究開発機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-091646
  • Filing Date: 2022