Structural tracking of nuclear wavepacket dynamics using femtosecond time-resolved X-ray absorption spectroscopy

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H04407
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• Principal Investigator: Katayama Tetsuo 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 主幹研究員 (90648073)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: X線自由電子レーザー / 時間分解 / 反応ダイナミクス

Outline of Final Research Achievements

This research aimed to observe local structural changes, with atomic resolution, during coherent nuclear vibration of a photo-excited transition metal complex in solution by time-resolved X-ray absorption spectroscopy. For this purpose, we achieved the time resolution of 70 fs in full width at half maximum, and tracked a multitude of vibrations of a Cu(I) complex after photo-excitation. Observable vibrational modes are highly dependent on the wavelength of incident X-ray beam, meaning that the sensitivity to individual vibrational component is directly associated with the magnitude of the transition dipole moment of core electrons. This finding is an original and surprising point of the project, which will be a cornerstone for future developments of ultrafast X-ray science.

Free Research Field

物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、溶液中の光反応において分子構造の変化をフェムト秒の時間分解能で観測するX線分光を確立した。また、どのような動きに対してX線分光が感度を発揮するのか？という基礎的な問いに対して明瞭な指針が得られた。このような成果は世界的にも類のない本研究独自のものであり、今後の超高速X線科学の発展に資するものである。また、本研究で確立した時間分解X線分光は様々な系に応用可能であり、光化学分野で期待が高まっている人工光合成の実現や、高効率太陽エネルギー変換マテリアルの構築において設計上の指針を与える分析手法として重要である。