X線自由電子レーザーの特性を生かしたフェムト秒構造化学の開拓

• 研究課題/領域番号: 21K18944
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分32:物理化学、機能物性化学およびその関連分野
• 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): 2021-07-09 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 核波束 / X線溶液散乱 / X線発光分光 / X線自由電子レーザー / 分子動画 / 溶媒和 / ダイナミクス / 光反応 / フェムト秒構造化学

研究開始時の研究の概要

紫外ー赤外領域のレーザー光によるフェムト秒化学の発展の歴史を考えると、X線自由電子レーザーの応用はフェムト秒化学をフェムト秒“構造”化学へと進化させるポテンシャルを秘めている。本研究では、アセトニトリルに溶解した[Cu(dmphen)2]+(dmphen=2,9-ジメチル-1,10-フェナントロリン)錯体分子の光誘起擬ヤーン・テラー構造変化を原子分解能で実時間観測する。この観測を通して「X線分光とX線散乱の２種類の計測がそれぞれどのような原子の動きに対して感度が高いのか？」という基本的な問いに対する解を導き出し、フェムト秒構造化学の飛躍的な発展へとつなげる。

研究成果の概要

本研究では、X線自由電子レーザーの特性を生かして溶液中のポリピリジン銅（I）錯体分子の光誘起擬ヤーン・テラー構造変化を原子分解能で直接観測し、励起された分子がポテンシャルエネルギー面上を移動する軌跡を実験的にマッピングした。逆格子空間に投影された系の構造変化を直接観察する時間分解X線溶液散乱を活用することで錯体（溶質）と第一配位圏に存在する周囲の溶媒分子（アセトニトリル）の構造変化をサブオングストロームの分解能で追跡することができた。これにより、溶質分子と周囲の溶媒分子がお互いにどのような影響を及ぼし合いながら構造変化が進行するのか、そのメカニズムを原子レベルで解明した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

溶液中では、反応物となる溶質だけでなく周囲に存在する溶媒が光反応に顕著な影響を及ぼすことは溶媒和効果として良く知られた現象である。しかし、原子レベルの動きとして溶質の構造変化が周囲にある溶媒分子をどのように動かすのか、また動いた溶媒分子が逆に溶質のダイナミクスにどのような影響を及ぼすのかについてはこれまでほとんど分かっていなかった。本研究の成果は時間分解X線溶液散乱がこの学術的な問いに答える有力な手法であることを示した。

研究成果

• [国際共同研究] University of Iceland(アイスランド)
• [国際共同研究] Pohang Accelerator Laboratory(韓国)
• [国際共同研究] Newcastle University(英国)
• [国際共同研究] IMDEA-Nanociencia/Universidad Autonoma de Madrid(スペイン)
• [国際共同研究] European XFEL GmbH(ドイツ)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] University of Iceland(アイスランド)
• [国際共同研究] Newcatsle University(英国)
• [国際共同研究] Pohang Accelerator Laboratory(韓国)
• [国際共同研究] European XFEL GmbH(ドイツ)
• [国際共同研究] IMDEA-Nanociencia/Universidad Autonoma de Madrid(スペイン)
• [国際共同研究]
• [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]
• [雑誌論文] Ultrafast lattice disordering can be accelerated by electronic collisional forces (2023)
  • 著者名/発表者名: de la Pena Munoz Gilberto A.、Correa Alfredo A.、Yang Shan、Delaire Olivier、Huang Yijing、Johnson Allan S.、Katayama Tetsuo、Krapivin Viktor、Pastor Ernest、Reis David A.、Teitelbaum Samuel、Vidas Luciana、Wall Simon、Trigo Mariano
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 19 号: 10 ページ: 1489-1494
  • DOI: 10.1038/s41567-023-02118-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Solvent-Dependent Structural Dynamics in the Ultrafast Photodissociation Reaction of Triiodide Observed with Time-Resolved X-ray Solution Scattering (2023)
  • 著者名/発表者名: Nimmrich Amke、Panman Matthijs R.、Berntsson Oskar、Biasin Elisa、Niebling Stephan、Petersson Jonas、Hoernke Maria、Bjorling Alexander、Gustavsson Emil、van Driel Tim B.、Dohn Asmus O.、Laursen Mads、Zederkof Diana B.、Tono Kensuke、Katayama Tetsuo、他7名
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 号: 29 ページ: 15754-15765
  • DOI: 10.1021/jacs.3c00484
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast Measurements of Mode-Specific Deformation Potentials of Bi2Te3 and Bi2Se3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Huang Yijing、Querales-Flores Jose D.、Teitelbaum Samuel W.、Cao Jiang、Henighan Thomas、Liu Hanzhe、Jiang Mason、De la Pena Gilberto、Krapivin Viktor、Haber Johann、Sato Takahiro、Chollet Matthieu、Zhu Diling、Katayama Tetsuo、他13名
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 13 号: 4 ページ: 041050-041050
  • DOI: 10.1103/physrevx.13.041050
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Disentangling the evolution of electrons and holes in photoexcited ZnO nanoparticles (2023)
  • 著者名/発表者名: Milne Christopher J.、Nagornova Natalia、Pope Thomas、Chen Hui-Yuan、Rossi Thomas、Szlachetko Jakub、Gawelda Wojciech、Britz Alexander、van Driel Tim B.、Sala Leonardo、Ebner Simon、Katayama Tetsuo、他18名
  • 雑誌名: Structural Dynamics 巻: 10 号: 6 ページ: 064501-064501
  • DOI: 10.1063/4.0000204
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic-scale observation of solvent reorganization influencing photoinduced structural dynamics in a copper complex photosensitizer (2023)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tetsuo、Choi Tae-Kyu、Khakhulin Dmitry、Dohn Asmus O.、Milne Christopher J.、Vanko Gyorgy、Nemeth Zoltan、Lima Frederico A.、Szlachetko Jakub、Sato Tokushi、Nozawa Shunsuke、Adachi Shin-ichi、Yabashi Makina、Penfold Thomas J.、Gawelda Wojciech、Levi Gianluca
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 14 号: 10 ページ: 2572-2584
  • DOI: 10.1039/d2sc06600a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast charge-transfer dynamics in a visible-light-excited iridium(III) terpyridine 2-phenylpyridine complex studied by femtosecond X-ray absorption spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka Ken-ichi、Sato Kosuke、Sato Shunsuke、Nozawa Shunsuke、Lee Sunghee、Fukaya Ryo、Fukuzawa Hironobu、You Daehyun、Saito Shu、Takanashi Tsukasa、Katayama Tetsuo、Togashi Tadashi、Nonaka Takamasa、Dohmae Kazuhiko、Adachi Shin-ichi、Ueda Kiyoshi、Yabashi Makina、Morikawa Takeshi、Asahi Ryoji
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 435 ページ: 114267-114267
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2022.114267
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Melting of magnetic order in NaOsO3 by femtosecond laser pulses (2022)
  • 著者名/発表者名: Giorgianni, F.; Burian, M.; Gurung, N.; Kubli, M.; Esposito, V.; Staub, U.; Beaud, P.; Johnson, S. L.; Windsor, Y. W.; Rettig, L.; Ozerov, D.; Lemke, H.; Saha, S.; Pressacco, F.; Collins, S. P.; Togashi, T.; Katayama, T.; Owada, S.; Yabashi, M.; Yamaura, K.; Tanaka, Y.; Scagnoli, V.
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 号: 15 ページ: 155147-155147
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.155147
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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
• [学会発表] 金属錯体の構造ダイナミクスにおける溶媒和の影響 (2024)
  • 著者名/発表者名: 片山 哲夫
  • 学会等名: 第37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] Instrumental development and data analysis of X-ray emission spectroscopy supporting SFX at SACLA (2023)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: UK-Japan meeting on dynamic and time-resolved crystallography
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーを利用したフェムト秒時間分解X線計測とその応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片山 哲夫
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [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