2022 Fiscal Year Annual Research Report
coherent control of molecular vibrations in the ultra-strong coupling regime
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21H01890
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
香月 浩之 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (10390642)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 振動ポラリトン / 強結合状態 / 超高速分光 / 液晶分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液晶分子の配向に依存したラビ分裂の変化を観測することに成功し、キャビティ外部での液晶のネマティック相とキャビティ中でポラリトンを形成している場合でその配向分布に違いが現れることが発見された。明確な定量的な評価はできていないが、振動キャビティ中で明らかにされている他の事象（化学反応の反応時定数変化やポリマーのモルフォロジー変化）と同様に、基底状態のポテンシャルが局所的に歪むことにより、分子内や分子間にかかる力に変化が現れて、その結果配向分布にも影響が現れていると考えられる。
振動ポラリトン状態のポンププローブ分光手法の開発では、これまで問題となっていた、ミラー表面に中赤外光を集光することによるミラーコーティング損傷の問題について、従来の金薄膜+保護膜(SiO2)の構造から、誘電体周期多層膜を用いたDBRミラーを導入することで、安定したポンププローブシグナルの測定に成功した。今後さらにデータの測定を進めて、振動ポラリトンダイナミクスの解明を目指す。
また、重水(D2O)にサンプル分子を微量溶かした状態でD2Oの対称伸縮モードを超強結合状態（ラビ分裂~550cm-1）にすることに成功し、さらにシフト後のポラリトン準位とサンプル分子の振動モード間の新たな相互作用による分裂を確認することができた。この手法は溶媒中に少量溶かした試料、という最もありふれた環境において、溶媒分子を強結合させることで、溶媒分子のエネルギー準位をシフトさせ、キャビティ中では起こり得なかった、エネルギー的に離れた溶媒と溶質のエネルギー準位を共鳴させて混成させることが可能であることを示している。溶質分子自体は少量であるため、強結合状態にはなっていないが、中赤外光子＋溶媒振動+溶質振動という３つの準位が混ざり合った状態がキャビティ中で実現できることを示した。今後、緩和ダイナミクスなどの測定を行う予定である。
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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
液晶分子を対象に、その配向分布とラビ分裂の間の関係を明らかにすることに成功した。また、振動ポラリトン状態の中赤外ポンププローブ分光においても、DBRミラーをキャビティに用いることで、コーティングへのダメージの影響を軽減し、再現性のある時間応答シグナルの測定に成功している（論文準備中）。
また、重水(D2O)にサンプル分子を微量溶かした状態でD2Oを強結合させることで、550cm-1以上のラビ分裂を観測し、超強結合状態になることを確認することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度には、現在測定中の中赤外ポンププローブによるポラリトン状態ダイナミクスに関する議論をより深める。振動ポラリトンダイナミクス計測の第一人者である、california大San DiegoのProf. Xiongの研究室に現在学生を長期派遣しており、彼らの中赤外二次元測定実験系や測定手法について学んでいる。（5月帰国予定）今後、奈良先端大の装置で測定しているポンププローブ測定との比較を行い、結果について本年度中に論文にまとめる予定である。これまでのところ、ポラリトンダイナミクスの報告は遷移モーメントが大きくシグナル測定が容易なW(CO)6など金属錯体イオンに関するものが大半であり、そこで得られた緩和経路などの結果が振動ポラリトン全般に当てはまる一般的なものなのかどうか議論の余地がある。我々のグループではC≡N三重結合やアジド基をもつDPPAやNH4SCN, ベンゾニトリルなどの試料を対象に振動ポラリトンのダイナミクス計測を行う。また、現在FTIRによるモード分散測定に成功しているD2Oの超強結合状態を含む試料において、緩和ダイナミクスの測定を行い、超強結合に由来するエネルギーのシフトがどのような影響を与えるのか、知見を得る。
ラマン励起による振動ポラリトン状態の観測実験について、これまでの励起光レイアウトを改良し、キャビティに対する励起光の入射角を90度とし、励起光によって生成されるコヒーレント状態の波数ベクトルが、ポラリトンの量子化された波数ベクトルと合致するような条件で実験を試みる。本手法では、ポラリトンに関連する励起状態ダイナミクスのうち、コヒーレントな過程のみを選択的に観測できることから、現在問題となっているダークステートからの遷移によってスペクトルの解析が困難となっている点について、中赤外ポンププローブ法と対をなす新しいアプローチとして確立することを目指す。
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