2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on damage-free X-ray nonlinear spectroscopy
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18H03474
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
玉作 賢治 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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北村 光 京都大学, 理学研究科, 助教 (60335297)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | X線自由電子レーザー / X線非線形光学 / ダメージ / 密度行列理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、X線自由電子レーザーからの高強度X線による試料へのダメージを理論・実験の両面から明らかにし、高強度X線が必要とされる非線形分光でダメージを受けていない状態を調べる方法を研究するものである。今年度は、実験面では励起光子エネルギーがずれている可能性があった銅の共鳴２光子吸収スペクトルを、光子エネルギーを校正して測定し直した。得られた共鳴２光子吸収スペクトルを対応する蛍光X線スペクトル比較したところ、一致しないことが判明した。解析の結果、共鳴2光子吸収では3d軌道にもホールが生成されるためと判明した。これに関して、第一原理計算とレート方程式を組み合わせたシミュレーションを行い、定量的な解析を開始した。また、これまで測定されたことのない、K殻空孔状態での吸収分光を銅に対して行った。このために高分解能高感度の発光分光器を新たに開発した。測定された吸収スペクトルは、通常の吸収スペクトルに比べて若干緩やかであるが、明確な吸収端を持つことが判明した。一方で、吸収端のエネルギーは理論的な予測より高エネルギー側にずれていることが分かった。これらと並行して、ダメージの影響を軽減するため、溶液中の錯体を測定するための装置開発を行った。理論面では、簡約化密度行列理論とクラスター分子軌道法を組み合わせた多体電子論を開発し、フェムト秒X線パルスによる銅のK殻近吸収端スペクトルを数値計算した。その際、伝導帯に励起された電子とK殻ホール間のクーロン引力がもたらす励起子効果およびその遮蔽効果を考慮することにより、X線強度が弱いときの吸収スペクトルの実験データを定性的に再現できた。
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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
実験面では、共鳴２光子吸収スペクトルとシミュレーションとの比較が最終段階に近づきつつある。また、K殻空孔状態の吸収スペクトルの測定に世界で初めて成功している。理論面では、X線強度を上げた際に、３次の非線形効果によってK殻吸収スペクトルが高エネルギー側にシフトすることや、その傾向が実験データと定性的に一致することもわかりつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験面では、2019年度に開発した溶液用の発光分光装置を用いて、溶液中の錯体の金属原子の吸収スペクトルを測定し、ダメージの影響を調べる。また、異なる電子状態を持つ錯体で測定し、共鳴２光子吸収スペクトルから電子状態の違いを議論できるか検討する。さらに、K殻空孔状態での吸収スペクトルをより高精度で測定し、定量的な解析を行う。理論面では、前年度の研究を通じて密度行列シミュレーション法の精度が向上し、X線強度に依存した銅のK吸収スペクトルの変化(3次の非線形効果)を示すことが可能となった。今後は、X線で励起された電子の衝突緩和効果を3次の非線形項として新たに取り入れた密度行列方程式を構築し、その数値シミュレーションによって、ダメージが吸収スペクトルの形状に及ぼす影響を解析する。
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