フェムト秒時間分解X線吸収分光法による核波束振動の構造追跡

• 研究課題/領域番号: 19H04407
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分80040:量子ビーム科学関連
• 研究機関: 公益財団法人高輝度光科学研究センター
• 研究代表者: 片山 哲夫 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2019年度: 13,910千円 (直接経費: 10,700千円、間接経費: 3,210千円)
• キーワード: X線自由電子レーザー / 時間分解 / 反応ダイナミクス / 核波束 / X線吸収分光 / 分子動画 / フェムト秒X線分光 / 核波束振動

研究開始時の研究の概要

フェムト秒の時間幅を持つX線自由電子レーザーは、フェムト秒化学に新たな進化をもたらすツールである。特に時間分解X線吸収分光において元素選択的に局所構造の超高速変化の追跡が可能となり、化学反応中の分子構造について全く新しい知見をもたらすことが期待されている。本研究では、溶液中で光励起された金属錯体が緩和する際に起こる核波束振動の局所的な構造変化を原子分解能で観測する。申請者が確立したタイミング揺らぎの補正技術を用いることにより、世界最高の時間分解能の50フェムト秒で分子構造のリアルタイム動画を実現する。

研究成果の概要

本研究では、溶液中で光励起された金属錯体分子が緩和する際に生じるコヒーレントな振動の局所的な構造変化を時間分解X線吸収分光によって原子分解能で観測することを目的とした。この目的に沿って時間分解能を半値幅で70フェムト秒まで高め、光励起直後から銅（I）錯体が振動していく様子を追跡することに成功した。また、入射X線の波長によって観測可能な振動が変化すること、すなわち各々の振動に対する感度が内殻電子の双極子遷移モーメントの大きさに関連することが分かった。この発見は予想していなかった本研究の独自性であり、超高速X線科学の発展に向けた基礎的な知識として重要である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

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。

研究成果

• [国際共同研究] SLAC National Accelerator Laboratory/University of Wisconsin/Lawrence Berkeley National Laboratory(米国)
• [国際共同研究] Uppsala University(スウェーデン)
• [国際共同研究] ShanghaiTech University(中国)
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute/EPFL/ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] Goethe University Frankfurt/Fritz Haber Institute(ドイツ)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] University of Gothenburg/Lund University/Uppsala University(スウェーデン)
• [国際共同研究] Technical University of Denmark(デンマーク)
• [国際共同研究] Institute for Microbiology and Genetics/European XFEL/DESY(ドイツ)
• [国際共同研究] EPFL/Paul Scherrer Institute(スイス)
• [国際共同研究] Newcastle University(英国)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] Newcastle University(英国)
• [国際共同研究] European XFEL/Deutsches Elektronen-Synchrotron/University of Hamburg(ドイツ)
• [国際共同研究] SwissFEL/Paul Scherrer Institut(スイス)
• [国際共同研究] Hungarian Academy of Sciences(ハンガリー)
• [国際共同研究] Adam Mickiewicz University/Polish Academy of Sciences(ポーランド)
• [国際共同研究]
• [雑誌論文] Unveiling ultrafast dynamics in bridged bimetallic complexes using optical and X-ray transient absorption spectroscopies (2022)
  • 著者名/発表者名: Mara Michael W.、Phelan Brian T.、Xie Zhu-Lin、Kim Tae Wu、Hsu Darren J.、Liu Xiaolin、Valentine Andrew J. S.、Kim Pyosang、Li Xiaosong、Adachi Shin-ichi、Katayama Tetsuo、Mulfort Karen L.、Chen Lin X.
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 13 号: 6 ページ: 1715-1724
  • DOI: 10.1039/d1sc05034f
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Resonant X-ray emission spectroscopy from broadband stochastic pulses at an X-ray free electron laser (2021)
  • 著者名/発表者名: Fuller Franklin D.、Loukianov Anton、Takanashi Tsukasa、You Daehyun、Li Yiwen、Ueda Kiyoshi、Fransson Thomas、Yabashi Makina、Katayama Tetsuo、Weng Tsu-Chien、Alonso-Mori Roberto、Bergmann Uwe、Jan Kern、Yachandra Vittal K.、Wernet Philippe、Yano Junko
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 4 号: 1 ページ: 84-84
  • DOI: 10.1038/s42004-021-00512-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relation between Inner Structural Dynamics and Ion Dynamics of Laser-Heated Nanoparticles (2021)
  • 著者名/発表者名: Niozu Akinobu、Kameshima Takashi、Joti Yasumasa、Motomura Koji、Togashi Tadashi、Owada Shigeki、Katayama Tetsuo、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Young Linda、Matsuda Kazuhiro、Bostedt Christoph、Ueda Kiyoshi、Nagaya Kiyonobu他
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 11 号: 3 ページ: 031046-031046
  • DOI: 10.1103/physrevx.11.031046
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Laser-induced transient magnons in Sr3Ir2O7 throughout the Brillouin zone (2021)
  • 著者名/発表者名: Mazzone Daniel G.、Katayama Tetsuo、Yabashi Makina、Kubota Yuya、Owada Shigeki、Liu Jian、Yang Junji、Konik Robert M.、Robinson Ian K.、Hill John P.、McMorrow Desmond F.、Wall Simon、Liu Xuerong、Dean Mark P. M.他
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 22 ページ: 2921-2921
  • DOI: 10.1073/pnas.2103696118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystallization kinetics of atomic crystals revealed by a single-shot and single-particle X-ray diffraction experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Niozu Akinobu、Owada Shigeki、Tono Kensuke、Kameshima Takashi、Joti Yasumasa、Katayama Tetsuo、Togashi Tadashi、Yabashi Makina、Matsuda Kazuhiro、Bostedt Christoph、Ueda Kiyoshi、Nagaya Kiyonobu他
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 号: 51
  • DOI: 10.1073/pnas.2111747118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Femtosecond X-ray emission study if the spin cross-over dynamics in haem proteins (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Linschel et al, and T. Suzuki
  • 雑誌名: Nature Communication 巻: 11 号: 1 ページ: 4145-4145
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17923-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mapping the emergence of molecular vibrations mediating bond formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim J. G., Nozawa S., Kim H., Choi E. H., Sato T., Kim T. W., Kim K. H., Ki H., Kim J., Choi M., Lee Y., Heo J., Oang K. Y., Ichiyanagi K., Fukaya R., Lee J. H., Park J., Eom I., et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 582 号: 7813 ページ: 520-524
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2417-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tracking the Local Structure Change during the Photoabsorption Processes of Photocatalysts by the Ultrafast Pump-Probe XAFS Method (2020)
  • 著者名/発表者名: Uemura Yohei、Yokoyama Toshihiko、Katayama Tetsuo、Nozawa Shunsuke、Asakura Kiyotaka
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 号: 21 ページ: 7818-7818
  • DOI: 10.3390/app10217818
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Charge Trapping Process in Photoexcited Nitrogen-Doped Titanium Oxides (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Kosuke、Yamanaka Ken-ichi、Nozawa Shunsuke、Fukuzawa Hironobu、Katayama Tetsuo、Morikawa Takeshi、Nonaka Takamasa、Dohmae Kazuhiko、Ueda Kiyoshi、Yabashi Makina、Asahi Ryoji
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 号: 15 ページ: 10439-10449
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c00696
  • 査読あり
• [雑誌論文] Femtosecond Optical Laser System with Spatiotemporal Stabilization for Pump-Probe Experiments at SACLA (2020)
  • 著者名/発表者名: Togashi Tadashi、Owada Shigeki、Kubota Yuya、Sueda Keiichi、Katayama Tetsuo、Tomizawa Hiromitsu、Yabuuchi Toshinori、Tono Kensuke、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 号: 21 ページ: 7934-7934
  • DOI: 10.3390/app10217934
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observing the Structural Evolution in the Photodissociation of Diiodomethane with Femtosecond Solution X-Ray Scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: Panman Matthijs R.、Katayama Tetsuo、Westenhoff Sebastian他
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 22 ページ: 226001-226001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.226001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] X線自由電子レーザーSACLAを用いた超高速サイエンスの開拓～核波束振動を捉えるフェムト秒X線分光～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 片山 哲夫
  • 雑誌名: 放射光 巻: 33 ページ: 248-256
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic X-Ray Scattering of Transiently Oriented Water (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Kyung Hwan、Katayama Tetsuo、Nilsson Anders、Perakis Fivos他
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 7 ページ: 076002-076002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.076002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Magnitude and Waveform of Shock Waves Induced by X-ray Lasers in Water (2020)
  • 著者名/発表者名: Stan Claudiu Andrei、Motomura Koji、Blaj Gabriel、Kumagai Yoshiaki、Li Yiwen、You Daehyun、Ono Taishi、Kalita Armin、Togashi Tadashi、Owada Shigeki、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Katayama Tetsuo、Ueda Kiyoshi
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 10 号: 4 ページ: 1497-1497
  • DOI: 10.3390/app10041497
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Slowing down of dynamics and orientational order preceding crystallization in hard-sphere systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Lehmkhler Felix、Hankiewicz Birgit、Schroer Martin A.、Moller Leonard、Ruta Beatrice、Sheyfer Dina、Sprung Michael、Tono Kensuke、Katayama Tetsuo、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Gutt Christian、Grebel Gerhard
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 号: 43
  • DOI: 10.1126/sciadv.abc5916
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tracking multiple components of a nuclear wavepacket in photoexcited Cu(I)-phenanthroline complex using ultrafast X-ray spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, T. Northey, W. Gawelda, C. J. Milne, G. Vanko, F. A. Lima, R. Bohinc, Z. Nemeth, S. Nozawa, T. Sato, D. Khakhulin, J. Szlachetko, T. Togashi, S. Owada, S. Adachi, C. Bressler, M. Yabashi, and T. J .Penfold
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 3606-3606
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11499-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray optics for advanced ultrafast pump-probe X-ray experiments at SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama,T. Hirano, Y. Morioka, Y. Sano, T. Osaka, S. Owada, T. Togashi, M. Yabashi
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 26 号: 2 ページ: 333-338
  • DOI: 10.1107/s1600577518018362
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A versatile experimental system for tracking ultrafast chemical reactions with X-ray free-electron lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tetsuo、Nozawa Shunsuke、Umena Yasufumi、Lee SungHee、Togashi Tadashi、Owada Shigeki、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Structural Dynamics 巻: 6 号: 5 ページ: 054302-054302
  • DOI: 10.1063/1.5111795
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] X線自由電子レーザーによる超高速構造ダイナミクスの研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 片山 哲夫
  • 学会等名: NanospecFY2021mini
  • 招待講演
• [学会発表] SACLA分光分析による構造ダイナミクス研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 片山 哲夫
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast structural dynamics of Cu(I) complex probed by XFEL (2021)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: EuXFEL chemical dynamics workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast time-resolved X-ray experiments at SACLA (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: QCrOM2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Overview and perspective of ultrafast time-resolved X-ray spectroscopies at SACLA (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: CONEX conference 2020
  • 国際学会
• [学会発表] X線自由電子レーザーで捉える動的過程 (2019)
  • 著者名/発表者名: 片山哲夫
  • 学会等名: JpGU2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 光反応中の分子はどのように動く？ – 超高速X線科学のフロンティア
  • URL: https://academist-cf.com/journal/?p=11841
• [備考] 超高速X線分光が拓く原子レベルの分子動画観測
  • URL: https://www.chem-station.com/blog/2019/10/ultrafastxray.html