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2020 年度 実施状況報告書

近接場光が誘起する双極子近似を超えた光化学反応機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K05412
研究機関北海道大学

研究代表者

岩佐 豪  北海道大学, 理学研究院, 助教 (80596685)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード近接場光 / 多重極ハミルトニアン / 双極子近似の破れ
研究実績の概要

近接場光は物質近傍に局在した伝搬しない電磁場成分であり、双極子禁制励起などの伝搬光とは異なる励起状態を実現できる。近年、近接場光による単分子技術も進展している。近接場光と分子の相互作用は、双極子近似と固有励起状態に基づいた記述を超えた理論を必要とする。さらに近接場光の分布は光源の形状などに依存するため、電磁場計算も必要になる。本研究では、多重極相互作用に基づいた双極子近似を超えた励起状態計算と計算電磁気学を組み合わせた理論手法を開発し、近接場光励起に由来する光化学と、従来の光化学との本質的な違いを明らかにし、近接場光化学の学理構築を目指す。
本年度は、まず近接場光による電子励起状態を調べるために、時間依存密度汎関数理論による電子ダイナミクスを実時間・実空間差分法で解くプログラムに、多重極ハミルトニアンを実装した。これを実際の近接場光が誘起する光化学反応に適用するために、近接場光化学反応の実例として報告例のある、金属基板上のジメチルジスルフィドのS-S結合解離反応に着目した。本年度は、まず分子単体に対する近接場光励起を、上で開発した電子ダイナミクスプログラムで計算を行い、伝搬光励起とは大きく異なる励起状態が起こることを確認した。また、クラスターモデルを用いた担持分子の電子基底・励起状態の解析と伝搬光の吸収スペクトルを計算し、伝搬光では禁制な励起状態が低エネルギー側に多数存在することを明らかにした。また、今後は、金属担持された分子の近接場励起の計算を進めると共に、その複雑な電子励起状態を解析するための手法開発も併せて行う。
また、上で開発した手法を、励起状態計算が必要な近接場ラマン分光法へも応用した。ベンゼンの近接場ラマンスペクトルを共鳴・非共鳴条件下で計算・解析し、その選択則が近接場光、分子振動、および電子励起状態の空間構造の3つから説明できることを示した。

現在までの達成度 (区分)
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

近接場光による励起状態計算をするための多重極相互作用の実装ができ、実際にターゲットにしている分子の電子励起状態の計算から伝搬光による励起状態とは異なることを示すことができている。また、近接場光を用いたラマン分光への応用計算も実現できた。今後は、担持分子などの比較的大きな系での近接場光励起を実現するために、計算手法の効率化なども併せて進めていく。、

今後の研究の推進方策

今後は、担持分子などの比較的大きな系での近接場光励起を実現するために、実時間の電子ダイナミクス計算に加えて、より計算効率が良くなると期待される摂動計算に基づく励起状態の計算手法の開発も進めていく。

次年度使用額が生じた理由

コロナ禍で多くの学会・研究会・研究打合せが中止・延期・オンライン開催になり、計上していた出張費が未使用になった。これらは次年度の予算と併せて計算資源として研究進行を加速したい。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Theoretical method for near-field Raman spectroscopy with multipolar Hamiltonian and real-time-TDDFT: Application to on- and off-resonance tip-enhanced Raman spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Takenaka Masato、Taketsugu Tetsuya、Iwasa Takeshi
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 154 ページ: 024104~024104

    • DOI

      10.1063/5.0034933

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of support materials and Ir loading on catalytic N2O decomposition properties2021

    • 著者名/発表者名
      Hinokuma Satoshi、Iwasa Takeshi、Kon Yoshihiro、Taketsugu Tetsuya、Sato Kazuhiko
    • 雑誌名

      Catalysis Communications

      巻: 149 ページ: 106208~106208

    • DOI

      10.1016/j.catcom.2020.106208

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] N2O decomposition properties of Ru catalysts supported on various oxide materials and SnO22020

    • 著者名/発表者名
      Hinokuma Satoshi、Iwasa Takeshi、Kon Yoshihiro、Taketsugu Tetsuya、Sato Kazuhiko
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: 21605~21605

    • DOI

      10.1038/s41598-020-78744-x

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Determining and Controlling Cu-Substitution Sites in Thiolate-Protected Gold-Based 25-Atom Alloy Nanoclusters2020

    • 著者名/発表者名
      Hossain Sakiat、Suzuki Daiki、Iwasa Takeshi、Kaneko Ryo、Suzuki Taiyo、Miyajima Sayuri、Iwamatsu Yuki、Pollitt Stephan、Kawawaki Tokuhisa、Barrabes Noelia、Rupprechter Gunther、Negishi Yuichi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 124 ページ: 22304~22313

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c06858

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ammonia Combustion Properties of Copper Oxides-based Honeycomb and Granular Catalysts2020

    • 著者名/発表者名
      HINOKUMA Satoshi、IWASA Takeshi、ARAKI Kento、KAWABATA Yusuke、MATSUKI Shun、SATO Tetsuya、KON Yoshihiro、TAKETSUGU Tetsuya、SATO Kazuhiko、MACHIDA Masato
    • 雑誌名

      Journal of the Japan Petroleum Institute

      巻: 63 ページ: 274~281

    • DOI

      10.1627/jpi.63.274

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Combined computational quantum chemistry and classical electrodynamics approach for surface enhanced infrared absorption spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Takenaka Masato、Taketsugu Tetsuya、Iwasa Takeshi
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 152 ページ: 164103~164103

    • DOI

      10.1063/1.5143855

    • 査読あり
  • [学会発表] 第一原理計算による近接場振動分光2021

    • 著者名/発表者名
      岩佐豪
    • 学会等名
      日本物理学会第 76 回年次大会(2021 年)
    • 招待講演
  • [学会発表] 双極子近似を超えた近接場光と分子の多重極相互作用と励起状態制御に向けて2020

    • 著者名/発表者名
      岩佐豪
    • 学会等名
      分子研 研究会「ナノ空間で光が織りなす分子操作・化学反応制御の新展開」
    • 招待講演
  • [学会発表] 反応経路自動探索法を用いたクラスター触媒の理論研究2020

    • 著者名/発表者名
      岩佐豪
    • 学会等名
      IQCE 量子化学探索講演会 2020「量子化学で探る化学の最先端」
    • 招待講演
  • [学会発表] 銀表面に吸着した酸素分子のプラズモン誘起解離反応の 理論解析2020

    • 著者名/発表者名
      竹中将斗、岩佐豪、武次徹也
    • 学会等名
      シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア 2020」

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公開日: 2021-12-27  

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