| Project/Area Number |
23K23304
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| Project/Area Number (Other) |
22H02036 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
堀尾 琢哉 九州大学, 理学研究院, 准教授 (40443022)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | 金属クラスター / 超原子軌道 / イメージング / 光電子放出角度分布 / 光電子イメージング / 量子サイズ効果 / 光電子放出角度運否 / 化学反応動力学 |
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| Outline of Research at the Start |
バルク金属とは異なり，金属ナノクラスター（原子数100 個以下の極微小粒子）では，量子サイズ効果が顕在化します。金属クラスター中の価電子は原子軌道と類似の超原子軌道という特殊な分子軌道を形成することが理論的に示されますが，その実証例が極めて限られています。本研究では，研究代表者が独自に発案した超高効率光電子画像観測法を駆使して，この超原子軌道の可視化計測（超原子軌道イメージング）に挑戦します。サブナノメートルスケールの量子井戸に束縛された電子の振る舞いを明らかにすることは，量子論を深化させるのみならず，今後益々発展が期待される量子材料研究に資する学術的知見を創出します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超原子金属クラスターの化学反応性や光学応答性の本質的理解へ向け，独自開発した超高効率光電子イメージング法[Horio et al., Rev. Sci. Instrum. 93, 083302 (2022)]により，超原子軌道の可視化計測を推進してきた。前年度に繰返し周波数100 kHzの波長可変レーザーを用い，銀三量体負イオン（Ag3-）の光電子異方性パラメータを測定した。本成果が100 kHzという超高繰返しレーザーで負イオン光電子画像観測を実現した初めての例であることから，今年度始めに結果を取り纏め，J Chem. Phys.のNoteとして公表した[Horio et al., J. Chem. Phys. 162, 026101 (2025)]。その後，イベントベースビジョンセンサーを搭載した新型カメラを使い，同画像の再測定を行った。これにより既存カメラで見られた光電子ピークの背景信号が低減され，より精度の高い画像観測が可能となった。Ag3-のHOMO（超原子1P様軌道）とHOMO-1（超原子1S様軌道）の軌道角運動量の違いが，光電子異方性パラメータの運動エネルギー依存性の違いとなって明瞭に観測された。ezDysonによる光電子異方性パラメータのシミュレーションも行い，それらが実験結果を定性的に再現することを確認した。また，Ag3-のS1状態を経由した光電子スペクトルの観測にも成功した。以上の成果をフルペーパーとして取り纏め，2025年3月13日にJ. Chem. Phys.に投稿した。この他，Ag3-と同じく閉殻電子系のAg5-およびAg7-へと測定対象を拡張し，光電子異方性パラメータの運動エネルギー依存性において，超原子P様軌道に共通する特徴を捉えるとともに，連続状態に埋もれた共鳴状態の存在が光電子異方性パラメータを大きく変化させることも見出した。
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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
今年度は銀3三量体負イオンの成果の取り纏め，さらに5,7量体負イオンについて実験も推進した。年度中，当初計画になかったイベントベースビジョンセンサーを搭載した新型カメラを導入し，その条件出しのために研究計画が若干遅れたものの，本研究の目的達成へ向けおおむね順調に進んでいると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，波長可変100kHz光源を用いて銀超原子負イオンの光電子異方性パラメータの測定を行う。これまで超原子S様軌道，およびP様軌道に特徴的な光電子異方性パラメータの運動エネルギー依存性を見出している。次は超原子D様軌道の特徴を捉えるため，1S^21P^61D^1の価電子配置が予想される8量体負イオンの測定から着手する。光電子異方性パラメータの理論解析手法として，Krylovらによって開発されたezDyson，およびSanovらによって提案された理論解析手法（J. Chem. Phys. 141, 124312 (2014)）を用い，実験結果を多角的に評価する。前年度の計画であった光源の更なる短波長化については，Yb:KGWレーザーの第四高波長257 nm（光子エネルギー = 4.82 eV)の発生を確認し，現在順調に進んでいる。前年度問題となっていた迷光による低速電子の発生をある程度抑えられているものの，依然としてクラスターからの光電子よりも，迷光による低速電子の量の方が数倍多い。ライトバッフルの改良を行うことで，良質な光電子画像の計測を目指す。これが成功した暁には，光電子異方性パラメータの測定範囲が大幅に拡張される。さらに同光源を用いてAg12M-(M = V,Nb, Ta)の光電子画像観測を行う。既述の通り，前年度までに，これら三つのクラスター全てが正二十面体構造を形成することを見出したが，電子束縛エネルギーの大きな3重縮重超原子1P軌道からの光電子信号の観測が不可能であった。今年度はその測定に挑戦するとともに，アルミニウム13量体負イオンAl13-についても測定を行い，正二十面体構造に共通する光電子放出角度分布が得られるのか精査する。Al13-は正二十面体構造を有する金属クラスターの象徴的存在であるため，当該研究分野への波及効果が期待される。
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