Imaging of Superatomic Orbitals
| Project/Area Number |
23K23304
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| Project/Area Number (Other) |
22H02036 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
堀尾 琢哉 九州大学, 理学研究院, 准教授 (40443022)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | 超原子軌道 / 金属クラスター / 光電子イメージング / 光電子放出角度分布 / 量子サイズ効果 / 光電子放出角度運否 / 化学反応動力学 |
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| Outline of Research at the Start |
バルク金属とは異なり，金属ナノクラスター（原子数100 個以下の極微小粒子）では，量子サイズ効果が顕在化します。金属クラスター中の価電子は原子軌道と類似の超原子軌道という特殊な分子軌道を形成することが理論的に示されますが，その実証例が極めて限られています。本研究では，研究代表者が独自に発案した超高効率光電子画像観測法を駆使して，この超原子軌道の可視化計測（超原子軌道イメージング）に挑戦します。サブナノメートルスケールの量子井戸に束縛された電子の振る舞いを明らかにすることは，量子論を深化させるのみならず，今後益々発展が期待される量子材料研究に資する学術的知見を創出します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超原子と呼ばれる金属ナノクラスター中の価電子は，量子井戸に束縛された自由粒子と近似され，原子軌道と類似の超原子軌道(1S, 1P, 1D, …)を占有する。超原子の化学反応性や光学応答性の本質的理解へ向け，本研究では，独自に開発した超高効率光電子イメージング法（Horio et al., Rev. Sci. Instrum. 93, 083302 (2022))により，超原子軌道からの光電子放出分布を可視化し，量子化学計算を高度に融合させることで，金属骨格の形状に応じた真の軌道角運動量状態を明らかにする。以上を「超原子軌道イメージング」と題し，量子論の基礎学理構築に貢献するとともに，超原子物質科学や量子材料研究に資する学術的知見を創出することを目的とする。
研究実施計画に従い，初年度は，繰返し周波数100 kHzのYb:KGWレーザーを励起光源とする波長可変光パルスの発生に取り組んだ。おおむね順調に進展し，初年度終わりには最短波長310 nmの紫外光パルスの発生を確認した。上記と同時並行で，既存の波長404 nm (3.07 eV)のCWレーザーダイオードによる銀超原子負イオンの光電子イメージングを行った。サイズの違いにより，光電子放出角度分布が劇的に変わる様子が見出された。特に，超原子2S軌道がHOMOおよびSOMOとなるAg18-,Ag19-では，原子s軌道からの光電子放出角度分布と極めて良く似た結果が得られた。さらにAg18-と等価電子系のAg15Sc-でも同様な結果が得られた。量子化学計算による理論検証と併せて，得られた結果を論文に取り纏め2023年4月17日にアメリカ化学会のJ. Phys. Chem. Lett.に受理された。本成果は，異元素添加系で超原子軌道が形成されている確たる実験的証拠を与えたものであり，その学術的意義は極めて大きい。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画では，初年度に100 kHzの高繰返し波長可変光源の開発に注力する計画であり，現在までに最短波長310 nmの紫外光の発生を確認した。また，既存の404 nmのCWレーザーにより，銀クラスター負イオン，ならびにスカンジウム添加銀クラスター負イオンの超原子2S軌道からの光電子放出角度分布の観測に成功した。おおむね当初の計画通りに進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に引き続き，繰返し100 kHzのYb:KGWレーザーを励起光源とする波長可変光源の開発に取り組む。目標とする最短波長は200 nmである。波長可変光源の場合，短波長化に伴い出力が大幅に低下するため，Yb:KGWレーザーの第四高波長257 nm（光子エネルギー = 4.82 eV)，ならびに第五高調波210 nm（光子エネルギー = 5.90 eV）の固定波長深紫外光パルスの発生にも取り組む。これは，光子エネルギーが大きな領域，つまり光電子運動エネルギーが大きな領域における光電子異方性パラメータの変化が単調であることがezDysonによるシミュレーションから明らかになったことを踏まえたものである。固定波長であれば，数百mWの出力が期待できるため，短波長領域における波長可変光源の出力が低い場合のバックアッププランとなる。上記光源開発と同時に，既に開発を終えている波長310 nmまでの波長可変光源を用い銀超原子負イオンの光電子異方性パラメータの光電子運動エネルギー依存性の測定を行う。初年度終わりにはAg3-の光電子異方性パラメータを光電子脱離しきい値から約1.6 eVの範囲で測定することに成功している。100 kHzの高繰返し波長可変光源を用いて光電子放出角度分布を捉えた世界初の成果であり，本結果を早期に取り纏め，専門雑誌の速報誌として公表する。
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Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
