2017 Fiscal Year Research-status Report
An attempt at momentum-space molecular orbital imaging with laser-induced molecular alignment and orientation
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17K19095
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山崎 優一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00533465)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 分子配向 / 分子軌道 / 波動関数 / 時間分解分光 / 電子分光 / コンプトン散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、分子の諸性質を支配する電子の「運動」の様子を、分子座標系において直接可視化する新規分光法の実現である。この目的のため、研究代表者らが開発した時間分解電子運動量分光技術を、レーザーで配向制御された分子を対象とする「レーザー誘起配向分子の電子運動量分光」へと展開し、分子軌道の三次元的立体形状を運動量空間において観察する手法として開発・確立することを試みる。これにより、分子の立体効果・配向効果を電子運動のレベルで理解することに挑み、さらには、反応素過程の化学動力学から有機・高分子材料化学分野まで多岐にわたる物理化学に資する、「立体電子運動効果」の基礎的概念の構築を試みる。
本研究で目指すレーザー誘起配向分子の電子運動量分光の実現には、時間分解電子運動量分光の信号強度ならびに時間分解能の大幅な改善が不可欠である。本年度は、アセトン分子の195 nm光誘起三体解離反応を対象に信号強度の改善に取り組んだ。すなわち、光化学反応開始用のフェムト秒ポンプレーザーおよびプローブ用のピコ秒パルス電子線の強度を各々従来の5倍および1.6倍にまで改善して実験を行い、アセトンの時間分解電子運動量分光の信号計数率が従来の6.5倍にまで増加する結果を得た。このことは、ポンプレーザーおよびプローブ電子線両者の強度を改善さえすれば、それに比例して期待通りに信号強度が増加することを実証する。この成果を受けて、重水素置換体よりも励起状態の寿命が短い、通常のアセトン分子に対しても、時間分解電子運動量分光の束縛エネルギースペクトルを得ることが可能となった。そして、従来の解離機構に基づいて求めた理論的スペクトルと実験結果を比較することで、重水素置換体とは異なり、通常のアセトンの実験結果は現在提案されている解離機構を支持することが分かった。
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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
本研究で実現を目指すレーザー誘起配向分子の電子運動量分光は、研究代表者らが現有する時間分解電子運動量分光装置を転用して行う。すなわち、超音速分子線に120フェムト秒幅のレーザーパルスを照射して標的分子を非断熱的に配向させ、標的分子の回転周期（数ピコ秒～数十ピコ秒）に同期させて1ピコ秒幅の電子線パルスを入射し、レーザー電場のない条件下において、配向分子の運動量空間における分子軌道形状を観測する。配向した分子からの信号強度を得るためには、従来のポンプレーザー（直径2 mm）を直径0.5 mm以下にまで集光し、さらに、±35ピコ秒の時間分解能を桁違いに改善しなければならない。本年度は、現有の時間分解電子運動量分光装置の信号強度に関する予備的実験を進め、ポンプレーザーやプローブパルス電子線の強度を改善すれば、それに応じて信号強度が期待通りに改善するという明るい見通しを得た。さらにこの成果を活用して、アセトンの光誘起三体解離反応経路について、水素の同位体効果を強く示唆する付加的成果も得ることができた。したがって、時間分解能など各種実験精度には依然として大きな課題を残すものの、本研究課題の進捗としては、おおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は主に、時間分解電子運動量分光の時間分解能の改善を進める。ポンプレーザーとプローブ電子線の速度不整合に起因した時間分解能の大幅な劣化を防ぐため、プローブ電子線の速度（エネルギー）や相互作用体積の大きさを系統的に変化させた予備実験を行い、それら支配因子が時間分解能に及ぼす影響を調べる。一方で、ポンプレーザーのパルス波面を進行方向に対して傾けることで、分子線中の標的分子の位置によらず、常に同じタイミングでポンプレーザーパルスとプローブ電子パルスを照射させる、パルス面傾斜法による分解能改善も並行して試みる。この予備実験には、多元研機械工場の協力を仰ぎながら、回折格子をはじめとする必要な光学部品および時間分解能を評価するための真空内実験設備を準備する。
上述の時間分解能の改善と並行して、現状の漏れ出し分子線に代替する、本分光に特化した形の超音速パルス分子線源の設計・試作を行い、これにより標的分子ビーム中の回転温度を十分に冷却して、高い配向制御の達成を図る。このとき、配向制御用レーザーの集光に伴う相互作用体積（信号強度）の減少を補うために、信号強度を桁違いに向上させることも同時に検討する。そこで、研究代表者が経験を有する流体力学シミュレーションを重ねて、分子の回転温度および数密度の最適条件を探索し、配向度と信号強度を両立する分子線源を設計する。分子線源の製作には、豊富な経験を有する分子科学研究所装置開発室の技術支援を受ける。
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画では、時間分解電子運動量分光の時間分解能の改善を行う予定であったが、予備実験においてポンプレーザーおよびプローブパルス電子線の強度向上が得られたことを受けて、信号強度の改善を優先する研究計画に変更した。この修正に伴い、平成29年度の未使用額が生じた。本研究は、研究代表者らが現有する時間分解電子運動量分光装置を転用して行うものであり、その結果、研究経費で主要なものは光学系および超音速分子線源の二つの消耗品費である。次年度は主に、時間分解電子運動量分光の時間分解能の改善を進める予定である。そのため今年度の未使用分および次年度の助成金を合わせたものを主に、光学部品（回折格子、シリンドリカル型集光レンズ、ハイパワー用光学ミラー、球面ミラー、およびホルダー等）や時間分解能を評価するための真空内実験設備に充てる。
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Research Products
(31 results)
