強光子場分子ダイナミクスとその制御の電子・核波束動力学理論

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14077203
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 河野 裕彦 東北大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (70178226)
• 研究分担者: 大槻 幸義 東北大学, 大学院・理学研究科, 助手 (40203848) ; 藤村 勇一 東北大学, 大学院・理学研究科, 教授 (90004473)
• キーワード: 強レーザー場 / 電子波束 / 最適制御パルス / 時間依存断熱状態 / 反応制御 / 選択的結合解離 / 光学異性体

研究概要

H_2などの小さな分子の電子・核波束ダイナミクスより,電子の動きはレーザー電場の変化に追従する時間依存断熱電子状態(レーザー場との相互作用も含めた瞬間的な電子ハミルトニアンの固有関数)とそれらの間の場で誘起された非断熱遷移の考えによって説明できることがわかった.このような時間依存断熱状態を用いて,強レーザー場誘起の核ダイナミクスを追跡することができる.分子軌道法を用いれば,大きな分子の断熱電子状態も求めることができる.800nmの光と相互作用するCO_2場合は,CO_2^<2+>生成後,2つのC-O結合の距離が1.2から1.6Åあたりまで対称的に同時に伸び,それに伴い,非断熱遷移により,さらに高い断熱状態に移り,大振幅変角振動が誘起される.このダイナミクスはクーロン爆発するカチオンの構造変化の実験結果と一致する.また,同様の時間依存断熱状態法を強レーザー場中でのエタノールの選択的解離反応に応用した.山内らの実験では,C-C結合の方がC-O結合より切れやすい.計算結果によれば,1価カチオンの段階で(CH_3)^+-(CH_2OH)^+の電子配置を持つ最低断熱状態のポテンシャルと(CH_3)-(CH_2OH)の断熱ポテンシャルが,短いC-C結合距離で交差し,解離が促進される機構が見出された.強レーザー場による選択的結合解離を起こすほかの分子を探索中である.また,分子軌道法的アプローチによる4電子,6電子ダイナミクスを参照しながら,時間依存の電子相関ポテンシャルの構築も行っている。
量子制御におけるパルス設計方程式に対する一般解法も開発した.この方法論を気相中だけではなく、凝縮相中の分子ダイナミクスに適用した.応用として扱ったのは,金属・誘電体表面での脱離過程,生体系における光異性化,2原子分子の前期解離である.また,ヘリカルキラリティをもつ分子変換の量子制御シミュレーションを行い,最適レーザーパルスを設計することができた.さらに、ラセミ混合物から高光学純度を得るための新しい量子制御法を提案した.これは,電場ベクトルの偏光を利用したもので,磁場成分に依らない方法であり,右手分子が左手分子に直接変換される.赤外領域の直線偏光パルスでキラリティーを持つ分子の分子内回転子を一方向に回すことが可能であることも示した.これは光駆動型分子モーターのプロトタイプとみなせる.

研究成果

• [文献書誌] K.Harumiya, H.Kono: "Intense laser field ionization of H_2 enhanced by two-electron dynamics"Physical Review A. 66・4. 043403-1-043403-14 (2002)
• [文献書誌] H.Kono, Y.Sato, Y.Fujimura: "Identification of the Doorway States to Ionization of Molecules in Intense Laser Fields"Laser Physics. 13・4. (2003)
• [文献書誌] A.D.Bandrauk, H.Kono: "Molecules in Intense Laser Fields : Nonlinear Multi-Photon Spectroscopy and Near-Femtosecond to Sub-Femtosecond (Attosecond) Dynamics"Advances in Multi-Photon Processes and Spectroscopy. 15. 147-214 (2003)
• [文献書誌] 河野裕彦: "波形デザインされた強いレーザー光による反応制御-強光子場化学の幕開け"化学. 1月号. 60-61 (2003)
• [文献書誌] H.Kono, Y.Sato, Y.Fujimura: "Electronic and nuclear wave packet dynamics of molecules in intense laser fields"Science of Superstrong field interactions, AIP conference proceedings,. 634. 58-65 (2002)
• [文献書誌] H.Kono, S.Koseki: "Intense-laser-induced electron transfer and structure deformation of molecules"American Chemical Society Symposium Series. 821. 267-284 (2002)
• [文献書誌] H.Umeda, Y.Fujimura: "Quantum control of molecular chirality : Optical isomerization of difluorobenzo [c] phenanthrene"Journal of American Chemical Society. 124・31. 9265-9271 (2002)
• [文献書誌] K.Nakagami, Y.Ohtsuki, Y.Fujimura: "Quantum optimal control of unbounded molecular dynamics : Application to NaI predissociation"Journal of Chemical Physics. 117・14. 6429-6438 (2002)
• [文献書誌] K.Hoki, M.Yamaki, S.Koseki, Y.Fujimura: "Molecular motors driven by laser pulses : Role of molecular chirality and photon helicity"Journal of Chemical Physics. 118・2. 497-504 (2003)
• [文献書誌] K.Nakagami, Y.Ohtsuki, Y.Fujimura, S.H.Lin: "Adiabatic theory of infrared laser-induced predesorption of CO from a NaCl (100) surface"Physical Chemistry and Chemical Physics. 5. 528-537 (2003)
• [文献書誌] Y.Ohtsuki, K.Nakagami, W.Zhu, H.Rabitz: "Quantum optimal control of wave packet dynamics under the influence of dissipation"Chemical Physics. 287. 197-216 (2003)
• [文献書誌] Y.Ohtsuki, K.Ohara, M.Abe, K.Nakagami: "New quantum control pathway for a coupled-potential system"Chemical Physics Letters. 369. 525-533 (2003)
• [文献書誌] K.Hoki, Y.Fujimura: "Laser control of selective preparation of preorientational enantiomers from Their Racemate"American Chemical Society Symposium Series. 821. 32-46 (2002)
• [文献書誌] R.J.Gordon, Y.Fujimura: "Coherent control of chemical reactions"Encyclopedia of Physical Science and Technology. 3. 207-231 (2002)
• [文献書誌] Y.Ohtsuki, H.Rabitz: "Development of solution algorithms for quantum optimal control equations in product spaces"CRM Proceedings and Lectures. (2003)
• [文献書誌] Y.Ohta, J.Maki, H.Nagao, H.Kono, Y.Fujimura: "Dual transformation for Non-Born-Oppenheimer time-dependent density"International Journal of Quantum Chemistry. 91. 105-112 (2003)
• [文献書誌] H.Kono, K.Harumiya: "Wave packet dynamics of one-and two-electron molecular systems in intense laser fields, in Photonic, Electronic and Atomic Collisions"Rinton Press. 12 (2002)