電子動力学法の開発とその時間分解分子イメージングへの応用

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21350005
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 河野 裕彦 東北大学, 大学院・理学研究科, 教授 (70178226)
• Keywords: 時間依存自然軌道 / 化学ポテンシャル / 多配置時間依存発展法 / 多電子ダイナミクス / 近赤外光イオン化 / 分子イメージング / フラーレン / 選択的振動モード励起

Research Abstract

多電子ダイナミクスを扱える多配置時間依存Hartree-Fock法の高速化を進め、LiHやN_2に適用し,分子軌道概念を使って近赤外強レーザー場中の多電子系のイオン化や高次高調波発生の機構解明を進めた。時間依存の自然軌道φ_j(t)に対して化学ポテンシャルμ_j(t)を定義し、分子イメージングに利用する光電子のイオン化が多電子系のどの軌道から進行しているかを定量化する手法を確立した。レーザー電場からφ_j(t)が直接得るエネルギーS_j(t)をμ_j(t)と比較し、電子間エネルギー交換によってμ_j(t)>S_j(t)を満たす「アクセプタ軌道」が高いイオン化効率を持ち、分子軌道のイメージングに利用できることを示した。高強度近赤外パルスによるイオン化の場合、H_2では、励起状態が大きく寄与していることを明らかにした。LiHやN_2では、内殻軌道と原子価軌道の相互作用のため、内殻軌道からもイオン化が進行する多電子ダイナミクス機構を提案した。以上、非定常・非線形問題にも分子軌道の化学ポテンシャルが定義でき、イオン化や化学反応などの動的過程に関与する軌道を理論的に特定しうることを示した。
光励起による反応制御の問題では、強レーザー場によって誘起されるC_<60>の初期振動ダイナミクスを時間依存断熱状態法に基づいた第一原理分子動力学計算により求めた。近赤外パルス列を使うことにより、a_g(1)全対称振動モードや偏長と扁平の形状を交互にとるh_g(1)モードなどを選択的に励起できることを示した。さらに、同じ余剰振動エネルギーであっても、励起モードに依存して、C_2脱離などの解離につながるStone-Wales転位の回数が異なり、異なった解離パターンを生み出すことを見いだした。hg(1)モード励起の場合、解離フラグメントの運動量分布は統計解離理論に従わず、ナノ秒領域の解離における非統計的解離の存在を明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Ultrafast coherent dynamics of nonadiabatically coupled quasi-degenerate excited states in molecules : Population and vibrational coherence transfers (2012)
  • Author(s): H.Mineo, M.Kanno, H.Kono, S.D.Chao, S.H.Lin, Y.Fujimura
  • Journal Title: Chemical Physics Volume: 392 Pages: 136-142
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2011.11.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Verification of Nonthermal Microwave Effects on Intramolecular Reactions (2012)
  • Author(s): M.Kanno, K.Nakamura, E.Kanai, K.Hoki, H.Kono, M.Tanaka
  • Journal Title: J.Phys.Chem.A Volume: 116 Pages: 2177-2183
  • DOI: 10.1021/jp212460v
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanosecond Simulations of the Dynamics of C_<60> Excited by Intense Near-IR Laser Pulses : Impulsive Raman excitation, Rearrangement, and Fragmentation (2012)
  • Author(s): N.Niitsu, M.Kikuchi, H.Ikeda, K.Yamazaki, M.Kanno, H.Kono, K.Mitsuke, M.Toda, K.Nakai
  • Journal Title: J.Chem.Phys. Volume: 136(In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Attosecond control of dissociative ionization of O_2 molecules (2011)
  • Author(s): W.Siu, F.Kelkensberg, G.Gademann, A.Rouzee, P.Johnsson, D.Dowek, M.Lucchini, F.Calegari, U.De Giovannini, A.Rubio, R.R.Lucchese, H.Kono, F.Lepine, M.J.J.Vrakking
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 84 Pages: 063412-1-063412-4
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.84.063412
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 量子化学計算パッケージMOLPROの電子励起状態計算への応用と並列化 (2011)
  • Author(s): 山崎馨、河野裕彦
  • Journal Title: 東北大学サイバーサイエンスセンター大規模計算システム広報SENAC Volume: 44 Pages: 33-39
• [Journal Article] Ab Initio Electron Correlated Studies on the Intracluster Reaction of NO^+(H_2O)_n→H_3O^+(H_2O)_<n-2>(HONO) (n=4 and 5) (2011)
  • Author(s): Toshio Asada, Shiro Koseki, Masataka Nagaoka
  • Journal Title: Phys.Chem.Chem.Phys. Volume: 13 Pages: 1590-1596
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] QM/MM Investigation of the Degradation Mechanism of the Electron-Transporting Layer (2011)
  • Author(s): Toshio Asada, Kenichi Ohta, Takeshi Matsushita, Shiro Koseki
  • Journal Title: Theoret.Chem.Acc. Volume: 130 Pages: 439-448
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 分子の電磁場励起と化学反応-高強度レーザーからマイクロ波まで- (2012)
  • Author(s): 河野裕彦
  • Organizer: 第14回物質科学研究会
  • Place of Presentation: 核融合科学研究所(土岐市)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-06
• [Presentation] 化学反応を操る-極限に迫る実験化学と理論化学- (2011)
  • Author(s): 河野裕彦
  • Organizer: 2011国際化学年記念化学系講演会-化学のさらなる発展を目指して-
  • Place of Presentation: 岩手大学(盛岡市)
  • Year and Date: 2011-12-16
• [Presentation] Ionization of atoms and molecules II (Experiment) (2011)
  • Author(s): H.Kono
  • Organizer: International Symposium on Ultrafast Intense Laser Science 10
  • Place of Presentation: Eisenach, Germany(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-18
• [Presentation] 軌道化学ポテンシャルと多電子ダイナミクス (2011)
  • Author(s): 河野裕彦
  • Organizer: シンポジウム「第一原理計算科学の最前線」
  • Place of Presentation: 東北大学(仙台市)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-30
• [Presentation] Energetics of the time-dependent natural orbitals of molecules (2011)
  • Author(s): H.Kono, T.Kato, T.Oyamada, S.Koseki
  • Organizer: A long-term international workshop on "Dynamics and Correlations in Exotic Nuclei" (DCEN2011)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-28
• [Presentation] Time-dependent multiconfiguration wave function theory for molecular systems composed of two kinds of Fermi particles : Application to diatomic-like molecule (2011)
  • Author(s): T.Kato, K.Yamanouchi
  • Organizer: The XVIth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics (QSCP-XVI)
  • Place of Presentation: Kanazawa, Japan(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-15
• [Presentation] Control of Vibrational Dynamics and Reaction of C_<60> and Its Derivatives by Near-infrared Fields (2011)
  • Author(s): Hirohiko Kono, Naoyuki Niitsu, Kaoru Yamazaki, Katsunori Nakai, Mikito Toda, Stephan Irle
  • Organizer: The XVIth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics (QSCP-XVI)
  • Place of Presentation: Kanazawa, Japan(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-13
• [Presentation] Time-dependent chemical potential and multielectron dynamics (2011)
  • Author(s): H.Kono, T.Kato, T.Oyamada
  • Organizer: 12 th International Conference on Multiphoton Processes
  • Place of Presentation: Hokkaido University, Sapporo(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-05
• [Presentation] Response of Molecules to External Fields : Analysis of Time-Dependent Natural Orbitals (2011)
  • Author(s): H.Kono, T.Kato, T.Oyamada, S.Koseki
  • Organizer: The 4th Japan-Czech-Slovak (JCS) Symposium for Theoretical and Computational Chemistry
  • Place of Presentation: Prague, Czech Republio(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-20
• [Book] "Natural orbital analysis of ultrafast multielectron dynamics of molecules" in "Multiphoton Processes and Attosecond Physics" (2012)
  • Author(s): H.Kono, T.Oyamada, T.Kato, S.Koseki
  • Publisher: Springer(In press)
• [Book] C_<60>の高強度レーザー励起ダイナミクス、レーザーと化学、化学の要点シリーズ4(日本化学会編) (2012)
  • Author(s): 河野裕彦
  • Total Pages: 96-97
  • Publisher: 共立出版
• [Book] 化学反応に及ぼすマイクロ波効果の理論的考察、マイクロ波励起・高温非平行反応場の科学-マイクロ波エネルギーの基礎と新しい応用- (2012)
  • Author(s): 河野裕彦、菅野学
  • Total Pages: 75-79
  • Publisher: 自然科学研究機構核融合科学研究所編
• [Book] "Laser-induced electronic and nuclear coherent motions in chiral aromatic molecules" in "Progress in Theoretical Chemistry and Physics (the Proceedings of QSCP-XVI)" (2012)
  • Author(s): M.Kanno, H.Kono, Y.Fujimura
  • Publisher: Springer(In press)
• [Book] "Simulation of nuclear dynamics of C_<60> : From vibrational excitation by near-IR femtosecond laser pulses to subsequent nanosecond rearrangement and fragmentation" in "Progress in Theoretical Chemistry and Physics (the Proceedings of QSCP-XVI)" (2012)
  • Author(s): N.Niitsu, M.Kikuchi, H.Ikeda, K.Yamazaki, M.Kanno, H.Kono, K.Mitsuke, M.Toda, K.Nakai, S.Irle
  • Publisher: Springer(In press)
• [Book] "Control of π-Electron Rotations in Chiral Aromatic Molecules Using Intense Laser Pulses" in "Progress in Ultrafast Intense Laser Science VII (2011)
  • Author(s): M.Kanno, H.Kono, Y.Fujimura
  • Total Pages: 53-78
  • Publisher: Springer
• [Book] "Theoretical studies of microwave heating of dielectric liquid and magnetic crystal by classical and quanatum mechanical molecular dynamics simulations" in "Microwave and RF Power Applications" (2011)
  • Author(s): M.Tanaka, H.Kono, K.Maruyama, Y.Zempo
  • Total Pages: 185-188
  • Publisher: Cepadues Pub.