フェムト秒時間分解X線溶液散乱による分子構造の超高速ダイナミクスの直接観測

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06141
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 足立 伸一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (60260220)
• 研究分担者: 野澤 俊介 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (20415053)
• 研究期間 (年度): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: 放射光X線 / 時間分解計測 / 超高速ダイナミクス / X線自由電子レーザー

研究実績の概要

本研究では、X線自由電子レーザーの最大の特長であるX線パルス幅数フェムト秒の特性を最大限に活かすために、アライバルタイミングモニターを活用してサブ100フェムト秒時間分解能の時間分解X線計測を実現することを目標としている。これにより、液相光化学反応の超高速初期過程におけるコヒーレントな分子構造・電子状態の変化を観測することを目的とする。さらに、この計測手法をより広範な光反応系に適用することにより、パルスX線光源を用いた超高速分子構造科学の分野創成と分野拡大を推進するべく、本研究に取り組んでいる。
平成30年度は、前年度にSACLA施設において得られた、シアノ金錯体の結合形成に伴うコヒーレント振動を観測した実験結果について詳細なデータ解析を進めた。データの解析と考察はほぼ完了しており、論文を準備して投稿への準備が整った段階にある。この成果については、次年度の論文発表を目指す。
一方で、平成30年度は、フェムト秒時間分解能の時間分解X線計測法のさらなる向上と深化を目指して、SACLA施設において様々な取り組みを行った。具体的には、(1)X線溶液散乱実験への大面積CCD検出器の導入、(2)蓄積リング光源でのピコ秒時間分解X線実験へのファイバーレーザーの導入、(3)X線吸収分光法へのフェムト秒時間分解X線計測の適用、(4)SACLA施設のself-seeding光を活用したフェムト秒時間分解X線計測の試み、(5)強相関電子系物質への時間分解X線回折法の適用、などである。これらの試みは、次年度以降のさらなる時間分解X線計測法の向上と深化につながると期待している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成29年度にSACLA施設の時間分解X線溶液散乱計測システムにタイムスタンプ機能を導入することにより、シアノ金錯体の結合形成に伴うコヒーレント振動の観測に成功した実験結果について、平成30年度に詳細なデータ解析を進めた。このデータ解析については、韓国のX線自由電子レーザー施設であるPAL-XFEL（韓国・浦項加速器施設に設置）においても測定条件を一部変更して同一試料の計測を行っており、2つの施設の実験データについて統一的な解釈を行うことに時間を要した。データの解析と考察はほぼ完了し、論文を作成して投稿への準備が整った段階にあり、次年度の論文発表を目指している。したがって、当初の計画通り概ね順調に進展していると自己評価している。
平成30年度からはSACLA施設に導入された大型X線二次元検出器の利用を開始した。これにより、従来の検出器では最大q=6A^-1に限定されていた計測角度範囲が、最大q=10A^-1まで計測可能となり、SACLA施設において世界最高レベルの高分解能X線散乱データ計測を実現したことは特筆すべき点である。今後、高角度分解能を活かした利用実験の実施を予定している。
また、KEKの蓄積リング光源を活用したピコ秒時間分解X線計測システムに対して、MHz繰返し可能なファイバーレーザーを導入した。これまでのピコ秒実験ではkHz繰返しのチタンサファイア固体レーザーを利用していたが、繰返し周波数が数百倍に向上したことにより、特に溶液試料の時間分解X線吸収分光測定の測定効率が格段に向上した。これにより、ピコ秒時間分解測定を用いて、SACLA施設における測定試料の予備的検討が促進された。平成30年度は溶液散乱測定だけでなく、X線吸収測定も実施して、フェムト秒時間分解能の時間分解X線計測法の適用範囲をさらに拡大することが可能となりつつある。

今後の研究の推進方策

これまでの進捗状況を踏まえると、当初の目的としていたアライバルタイミングモニターを活用したフェムト秒時間分解能の時間分解X線計測は着実に実現しつつある。この測定手法により、液相光化学反応の超高速初期過程におけるコヒーレントな分子構造・電子状態の変化が実際に観測されつつあることから、今後はさらにこの計測手法を高度化するとともに、より広範な光反応系に適用することにより、パルスX線光源を用いた超高速分子構造科学の分野創成と分野拡大を推進したい。
X線溶液散乱についてはSACLA施設における検出器の大面積化と高エネルギー（18keV）X線の利用のメリットを最大限に活かし、世界の他施設の追随を許さない高分解能X線散乱データの計測と解析を進める。また、並行してX線吸収分光法にフェムト秒時間分解X線計測法を適用し、X線散乱法と相補的な情報の取得を目指す。
測定手法の高度化については、SACLA施設の独自技術である反射型結晶を使ったself-seeding光を活用したフェムト秒時間分解X線計測に注目している。self-seeding光は自発誘導放射光（SASE-FEL光）に比べて、エネルギーバンド幅が約1/10程度に狭帯域化することから、高い単色性が必要とされる実験、特に非線形光学実験に対して極めて有用である。このself-seeding光の特性を活かして、時間分解X線吸収実験をX線領域での2光子吸収に適用するといった新奇計測手法の開拓を目指して検討を進める。一方で、液相の光化学反応のみに留まらず、固相（薄膜）の強相関電子系物質へのフェムト秒時間分解X線回折法の適用についても今後検討を進める。

研究成果

• [国際共同研究] 韓国科学技術院 (KAIST)/浦項工科大学校 (POSTECH)(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: 韓国科学技術院 (KAIST)/浦項工科大学校 (POSTECH)
• [国際共同研究] Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)/Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)/Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)
• [雑誌論文] Chiral crystal-like droplets displaying unidirectional rotational sliding (2019)
  • 著者名/発表者名: Kajitani Takashi、Motokawa Kyuri、Kosaka Atsuko、Shoji Yoshiaki、Haruki Rie、Hashizume Daisuke、Hikima Takaaki、Takata Masaki、Yazawa Koji、Morishima Ken、Shibayama Mitsuhiro、Fukushima Takanori
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 18 ページ: 266～272
  • DOI: 10.1038/s41563-018-0270-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Apparent power-law behavior of water's isothermal compressibility and correlation length upon supercooling (2019)
  • 著者名/発表者名: Sp?h Alexander、Pathak Harshad、Kim Kyung Hwan、Perakis Fivos、Mariedahl Daniel、Amann-Winkel Katrin、Sellberg Jonas A.、Lee Jae Hyuk、Kim Sangsoo、Park Jaehyun、Nam Ki Hyun、Katayama Tetsuo、Nilsson Anders
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 21 ページ: 26～31
  • DOI: 10.1039/C8CP05862H
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Self-folding of supramolecular polymers into bioinspired topology (2018)
  • 著者名/発表者名: Prabhu Deepak D.、Aratsu Keisuke、Kitamoto Yuichi、Ouchi Hayato、Ohba Tomonori、Hollamby Martin J.、Shimizu Nobutaka、Takagi Hideaki、Haruki Rie、Adachi Shin-ichi、Yagai Shiki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 4 ページ: eaat8466
  • DOI: 10.1126/sciadv.aat8466
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protein Structural Dynamics of Wild-Type and Mutant Homodimeric Hemoglobin Studied by Time-Resolved X-Ray Solution Scattering (2018)
  • 著者名/発表者名: Yang Cheolhee、Choi Minseo、Kim Jong、Kim Hanui、Muniyappan Srinivasan、Nozawa Shunsuke、Adachi Shin-ichi、Henning Robert、Kosheleva Irina、Ihee Hyotcherl
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 19 ページ: 3633～3633
  • DOI: DOI: 10.3390/ijms19113633
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tuning and Tracking of Coherent Shear Waves in Molecular Films (2018)
  • 著者名/発表者名: Lemke Henrik Till, Breiby Dag Werner, Adachi Shin-ichi, Koshihara Shinya, Kuhlman Thomas Scheby, Mariager Simon Oddsson, Nielsen Thomas Norskov, Wulff Michael, Solling Theis Ivan, Harrit Niels, Feidenhans’l Robert, Nielsen Martin Meedom (全17名)
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 3 ページ: 9929～9933
  • DOI: 10.1021/acsomega.8b01400
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of the photoinduced insulator-to-metal transition in a nickelate film (2018)
  • 著者名/発表者名: Esposito Vincent、Rettig Laurenz、Inubushi Yuichi、Katayama Tetsuo、Kawaguchi Tomoya、Lemke Henrik、Ogawa Kanade、Owada Shigeki、Tanaka Yoshikazu、Togashi Tadashi、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Johnson Steven L.、Beaud Paul、Staub Urs （全27名）
  • 雑誌名: Structural Dynamics 巻: 5 ページ: 064501～064501
  • DOI: 10.1063/1.5063530
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast disordering of vanadium dimers in photoexcited VO2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Wall Simon、Yang Shan、Vidas Luciana、Chollet Matthieu、Glownia James M.、Kozina Michael、Katayama Tetsuo、Henighan Thomas、Jiang Mason、Miller Timothy A.、Reis David A.、Boatner Lynn A.、Delaire Olivier、Trigo Mariano
  • 雑誌名: Science 巻: 362 ページ: 572～576
  • DOI: 10.1126/science.aau3873
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear Spectroscopy with X-Ray Two-Photon Absorption in Metallic Copper (2018)
  • 著者名/発表者名: Tamasaku Kenji、Shigemasa Eiji、Inubushi Yuichi、Inoue Ichiro、Osaka Taito、Katayama Tetsuo、Yabashi Makina、Koide Akihiro、Yokoyama Toshihiko、Ishikawa Tetsuya
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 121 ページ: 083901
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.083901
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Following the Birth of a Nanoplasma Produced by an Ultrashort Hard-X-Ray Laser in Xenon Clusters (2018)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Yoshiaki, Fukuzawa Hironobu, Motomura Koji, Iablonskyi Denys, Nagaya Kiyonobu, Wada Shin-ichi, Ito Yuta, Takanashi Tsukasa, Sakakibara Yuta, Katayama Tetsuo, Togashi Tadashi, Tono Kensuke, Yabashi Makina, Golubev Nikolay V., Gokhberg Kirill, Cederbaum Lorenz S., Kuleff Alexander I., Ueda Kiyoshi (全34名)
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 8 ページ: 031034
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.8.031034
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray Hanbury Brown-Twiss interferometry for determination of ultrashort electron-bunch duration (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue Ichiro、Hara Toru、Inubushi Yuichi、Tono Kensuke、Inagaki Takahiro、Katayama Tetsuo、Amemiya Yoshiyuki、Tanaka Hitoshi、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Physical Review Accelerators and Beams 巻: 21 ページ: 080704
  • DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.21.080704
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Tracking ultrafast chemical reaction with X-ray free electron laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: International workshop on science at x-ray free electron lasers: Chemical physics and materials science in extreme x-rays light and extreme fields
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Tracking chemical reactions in solution with ultrashort X-ray pulses (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: One-Day Indo-Japan Symposium on Structural Dynamics at Different Time and Length Scale
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Complementarity of SR and XFEL sources for tracking chemical reactions in solution with ultrashort X-ray pulses (2019)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: Time-resolved Structural Studies - Synergy and complementarity between the ESRF and the European XFEL
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時間分解X線回折で観る強相関電子系遷移金属酸化物の電子―格子相関ダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 深谷 亮
  • 学会等名: 第17回SPring-8ユーザー協同体顕微ナノ材料科学研究会、第14回日本表面真空学会 放射光表面化学研究部会、第3回日本表面真空学会 プローブ顕微鏡研究部会、合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 時間分解X線回折で観るLaCoO3薄膜の電子秩序－構造相関 (2019)
  • 著者名/発表者名: 深谷 亮
  • 学会等名: 第二回コバルト研究会
  • 招待講演
• [学会発表] フェムト秒時間分解X線回折によるLaCoO3薄膜の電子―格子相関ダイナミクスの直接観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 深谷 亮
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Visualizing Chemical Reactions in Solution with Ultrashort X-ray Pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: pi-Figuration Japan-Spain Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Introduction to the Photon Factory and Time-resolved Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: Indian Beam Line Users' Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sub-MHz hard X-ray pump-probe (XPP) experiment at KEK PF-AR (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: ACS Fall Meeting, Division of Physical Chemistry, "Chemical Applications of Ultrafast X-ray/XUV Spectroscopy and Scattering"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visualizing chemical reactions in solution with femtosecond X-ray scattering (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichi Adachi
  • 学会等名: Conference on Laser and Synchrotron Radiation Combination Experiment (LSC2018), Optics and Photonics International Congress (OPIC) 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Wave packet observation of Cu(I) complex by ultrafast x-ray absorption spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: Science@FEL
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved X-ray diffraction study of perovskite cobalt oxides for detecting transient spin-orbital-lattice interaction (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Fukaya
  • 学会等名: Conference on Laser and Synchrotron Radiation Combination Experiment (LSC2018), Optics and Photonics International Congress (OPIC) 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時間分解光電子顕微鏡による2次元半導体のキャリアダイナミクス観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 福本恵紀
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Imaging photogenerated electron dynamics in zero-gap to wide-gap semiconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: Keiki Fukumoto
  • 学会等名: Ultrafast Control of Materials
  • 国際学会
• [備考] フェムト秒時間分解X線溶液散乱による分子構造の超高速ダイナミクスの直接観測
  • URL: http://research.kek.jp/people/adachis/kibans/