2016 Fiscal Year Annual Research Report
コヒーレント二次元電子分光による強い相互作用系の量子コヒーレンス効果の解明と制御
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16J00627
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
米田 勇祐 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 励起エネルギー移動 / 超高速分光 / 光合成反応 / 二次元電子スペクトル分光 / 光捕集系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２８年度は、強い相互作用系としてphotosystem II dimerのエネルギー移動過程、ハイブリッドアンテナ複合体のエネルギー移動機構についての基礎的な研究を行い、さらにそれらの量子コヒーレンス効果を捕らえるための二次元電子スペクトル測定システムの構築に取り組んだ。
Photosystem IIに関する研究では、フェムト秒過渡吸収測定を応用し基礎的なエネルギー移動ダイナミクスに関する知見を得た。興味深いことに、励起高強度に依存したダイナミクスを測定したところ、photosystem II dimerは反応中心を二つ持つにもかかわらず、複数励起子が生じた場合annihilationによって励起子が減少していき、最終的に生じる電荷分離状態は一つになることが確認された。
ハイブリッド型アンテナのエネルギー移動に関する研究では、エネルギー供与性分子である人工色素の吸収・発光波長を変化させることによって、ドナー蛍光・アクセプター吸収のスペクトル重なり積分のエネルギー移動速度に対する依存性を調べた。その結果、エネルギー移動速度は単純にスペクトルの重なり積分に比例しないことがわかり、一般的なエネルギー移動機構のFRETの範疇を超えたケースであることが確認された。
二次元電子スペクトル測定システムの構築に関しては、まずは科研費で購入したパソコンと変換ケーブルを用いて縮退四光波混合測定システムを構築した。新システムにおいてサファイア板を用いたautocorrelation信号の取得に成功し、パルス幅を20フェムト秒まで圧縮することができた。これを参照用の色素分子であるNile Blueに応用したところ、592cm-1のコヒーレントな核波束運動を捕らえることに成功した。
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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
Photosystem IIのエネルギー移動過程に関する研究では、フェムト秒過渡吸収測定を応用することにより、基礎的なエネルギー移動ダイナミクスに関する知見を得ることができている。また並行して行っていた励起高強度に依存したダイナミクスに関する結果をJournal of the American Chemical Society 138 (2016) 11599として出版している。
また、ハイブリッド型アンテナ複合体のエネルギー移動機構に関する研究では、エネルギー移動速度がスペクトルの重なり積分に単純には比例せず、従来の一般的なエネルギー移動機構であるForster resonance energy transferの範疇を超えたケースであることが確認された。
さらに、二次元電子スペクトル測定システムに関しても、その前駆段階として四光波混合測定システムを構築することに成功しており、コヒーレントな核波束運動を捕らえるには十分な時間分解能を得ることができている。
上記の通りいくつかのエネルギー移動系に関しては基礎的なデータも取得しつつ、装置開発も順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は四光波混合システムを改良し、二次元電子スペクトル測定システムを完成させていく。さらに、二次元電子スペクトル測定システムの構築が進めばphotosystem IIを始めとするいくつかの強い相互作用系に対して応用を行う。
現行の四光波混合測定システムにおいては光学遅延ステージによりパルス遅延の制御を行っているが、二次元電子スペクトル測定システムへの発展の際には、パルス間時間差を位相レベル（サブフェムト秒）で制御する必要がある。そこで、空間光変調器による励起パルス間の遅延時間の制御を取り入れた測定システムへと改良を行う予定である。さらに、検出系にもマルチチャンネルフォトダイオードアレイを導入し、信号取得の高速化を行う予定である。
二次元電子スペクトル測定系が完成すれば、photosystem IIやハイブリッド型アンテナ複合体に対してその応用を行い、量子コヒーレンス効果の実験的観測を目指す。既にこれらの系については基礎的なデータの取得は完了しており、新しく得られるデータと総括して、強い相互作用系の反応機構に関する考察を行っていく。
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