2018 Fiscal Year Annual Research Report
New avenue for structural dynamics by wave-packet imaging spectroscopy
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18H03897
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大島 康裕 東京工業大学, 理学院, 教授 (60213708)
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2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 分子分光学 / 回転コヒーレンス / イオンイメージング / 分子クラスター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、赤外・紫外分光に匹敵する高い検出感度を有し、マイクロ波からテラヘルツ領域までを連続的にカバー可能であり、振動・回転準位はもとよりトンネル分裂なども明確に観測しうる分解能を持つ新規分光法として量子波束イメージング分光を開発し、大規模な構造変化が容易に引き起こされる系を対象として異性化ポテンシャル上でのダイナミックスを含めた動的分子構造の解明に挑戦することを目的としている。
本研究の遂行の上では、分子種や量子状態を選別したうえでイオンイメージング計測が可能なシステムの開発が最重要であり、研究初年度である平成30年度にはこの課題に重点的に取り組んだ。分子種・量子状態選別法としては、「静電deflector」と呼ばれる選別器を導入することを計画している。ここでは、超音速ジェットにより極低温に冷却された気体分子試料を不均一電場中を通過させることによって、分子種や回転状態が異なる場合には分子に働く静電力が各々異なるために飛行軌跡が分かれることを利用する。不均一電場中での分子の飛行軌跡をモンテカルロ法によって計算するプログラムを新たに開発して、適切な形状を有する静電deflectorの設計を完了した。
本研究においては、振動や回転に関する量子波束を適切に生成することも重点課題の１つである。そこで、低振動数で大振幅な内部運動を有する典型的な系としてビフェニルの誘導体やベンゼンクラスターを対象として取り上げ、高強度フェムト秒パルスによるコヒーレント励起と共鳴２光子イオン化スペクトル測定による状態分布観測とを組み合わせた手法を適用した。特に、励起パルス光強度やフェムト秒パルス対間の遅延時間を調整することにより、振動励起の程度を制御可能であることが確認された。また、遅延時間に対するスペクトル強度の変動をフーリエ変換することにより、ねじれ振動や分子間振動の振動数を決定することができた。
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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
分子種・量子状態選別用の「静電deflector」については、自作のモンテカルロ・シミュレーションプログラムを用いて分子の分離度を評価し、十分な分離能力を示す電極形状の設計を完了した。引き続いて、工作方法や実装法について制作業者とも綿密に検討を行った上で、現在、静電deflectorならびに真空チャンバーを制作中である。
回転ならびに振動運動の時空間イメージングの研究の一環として、これまでに(N2)2クラスターについてクーロン爆発イメージングによる観測を行ってきている。解離イオンの空間配向分布が周期的に変動する現象を見出し、この時間依存配向分布をフーリエ変換解析することにより、回転準位のエネルギー差に相当するビート信号を抽出した。さらに、内部回転励起状態に対する信号を帰属することができ、クラスター内でN2分子がほぼ自由に内部回転していることを明らかにした。同様の測定を、これまでほとんど分光学的研究例がない(CH4)2についても適用する研究にも着手している。現時点で、(CH4)2由来と思われる信号をクーロン爆発イメージングによって検出することができている。２つのフェムト秒パルスを用いたポンプ-プローブ実験を行うことにより、(N2)2と同様に回転エネルギー準位に関して情報が得られるものと期待される。
また、キラル化合物であるプロピレンオキシドについても、クーロン爆発イメージングの計測を行った。この場合も、フェムト秒パルスを用いたポンプ-プローブ実験を行うことにより、キラル分子の回転波束生成を世界に先駆けて実現しうるものと期待される。
高強度フェムト秒パルスによるコヒーレント励起と共鳴２光子イオン化スペクトル測定による状態分布観測とを組み合わせた手法に関しては、励起パルス光強度を調整することにより、多段階的に振動励起が実現できる可能性が示唆された。測定データの詳細な解析が待たれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
「静電deflector」による分子種ならびに量子状態選別実験については、装置の製作が終了次第、早急に検証実験に取り掛かる。まず、シミュレーションプログラムによって分離の程度を定量的に評価できているアンモニア分子を対象として測定を行う予定である。アンモニアは、大規模な構造変形運動である反転振動を有する分子として良く知られているが、静電deflectorを用いることによって、この反転運動によるトンネル分裂の２つの成分を空間的に分離することが可能である。周波数可変ナノ秒紫外光パルスを利用した共鳴２光子イオン化によって、トンネル分裂成分や回転状態を選別した検出を行うことにより、静電deflectorによる空間分離度を評価する。引き続いて、マイクロ波照射によってトンネル分裂成分をコヒーレントに結合し、反転振動に関する量子波束を生成することに取り組む。最終的には、反転振動量子波束の時間発展を、イオンイメージングを用いて実空間で追跡することを目指す。
分子クラスターにおける回転ならびに振動運動の時空間イメージングに関しては、 (CH4)2に対するポンプ-プローブ実験を実施し、回転エネルギー準位に関する実験情報の取得を目指す。また、キラル化合物であるプロピレンオキシドについても、フェムト秒パルスを用いたポンプ-プローブ実験を行うことにより、キラル分子の回転波束生成と観測を世界に先駆けて実現する。
高強度フェムト秒パルスによるコヒーレント励起と共鳴２光子イオン化スペクトル測定による状態分布観測とを組み合わせた手法については、測定データの詳細な解析を行い、多段階的に振動励起が実現されているかを確認する。
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