超高速気体電子回折法および気体Ｘ線回折法による分子構造の決定

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24245003
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山内 薫 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40182597)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 分子構造

研究実績の概要

１．トロイダル型レーザーアシステッド電子散乱（LAES）観測装置を小角散乱信号が観測可能となるように改良し、検出可能な散乱角度領域を2.3～12.0度から0.1～12.0度に拡大することに成功した。改良された装置を用いて、Xe原子を試料としたLAES観測実験を行った結果、散乱角度0.1～0.5度の領域に明らかなピーク構造を観測した。この観測結果はLAES過程に現れる原子の光ドレスト状態の効果が初めて観測されたことを示している。また、レーザーアシステッド電子衝撃イオン化観測装置を組み上げ、当初の目標通りの真空度が達成できていることが確認された。

２．超高速X線パルス到着タイミング計測装置および気相試料用広角X線回折計測装置を試作し、X線自由電子レーザーSACLAを用いてその性能評価を実施した。その結果、タイミング計測装置はX線の到着タイミングを計測するのに成功した。気相試料のX線回折計測を行ったところ、試料以外に起因する散乱X線信号を減少させる必要があることが明らかとなった。

３．光電場が強い場合、複数の電子状態が光によって結合する。これまでは時間依存断熱状態法など定常状態の方法論を時間依存の領域に適用した方法論によって分子の解離経路が推定されてきた。本研究では、強光子場中の多電子理論として開発された時間依存多配置波動関数理論によって計算される「時間に依存する電子状態と結合する核の波束」を直接計算する。解離に関与する核波束の運動を支配する運動方程式は既に報告済みである。ここでは、運動方程式を分析することによって、核波動関数が電子運動に応じて感じるポテンシャル関数を同定し、運動方程式の中で、ポテンシャル関数は電子配置に関する行列要素として与えられることを明らかにした。

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

１．レーザーアシステッド電子散乱（LAES）過程に現れる光ドレスト状態の効果が初めて観測されたことは、LAES過程の観測によって分子内の核配置の時間発展だけでなく、電子分布の時間発展についての情報も得られることを示す重要な成果である。平成２４年度に観測された散乱角2～5度におけるLAES信号の理論予測からのずれと、今回観測された散乱角0.1～0.5度に現れる光ドレスト状態の効果とを統一的に解析することができれば、当初の計画以上の成果も期待できる。

２．気相試料以外に起因する散乱X線信号を減少させ、小角から高角にわたって希薄な気相からの信号を得るために必要なS/N比を得るための装置評価を行った。得られた結果を基に新しいビームストッパーを備えた計測装置とX線光学系の設計することによって、時間分解X線回折計測に耐え得る短カメラ長広角X線回折装置の設計をすることができた。また、ジッターを持つXFELとフェムト秒レーザーの照射遅延時間を精密に計測することに成功した。この結果は、気相試料において、フェムト秒レーザーによって誘起された解離や構造変化について、ジッターを含む300 fs程度の時間分解能から、10 fs 程度に改善した時間分解能によって観測することができることを示唆している。

３．拡張された多配置波動関数理論において、解離反応を記述する核波束運動のポテンシャル関数をどの様に定義するのかを明らかにした。このことから、拡張された多配置波動関数理論によって計算される時間に依存した分子波動関数の核波束の時間変化に関する情報を時間に依存するポテンシャル関数の解析と関連付けて議論できるようになった。

今後の研究の推進方策

１．トロイダル型レーザーアシステッド電子散乱観測装置を用いた実験は本年度で終了し、平成２６年度は飛行時間型レーザーアシステッド電子散乱観測装置の完成に重点をおくことにする。まず、改良した超短パルス電子銃の性能評価実験を行った後、レーザー場無しの条件下でXe原子を試料とした弾性散乱実験を行い、角度分解飛行時間型電子分析器の性能を詳細に検証する。もし性能が不十分である場合は迅速に改良を施し、装置の早期完成を第一の目標とする。

２．平成２５年度に設計した、気相試料以外に起因する散乱X線信号を減少させることを目的とした、新しい短カメラ長広角X線回折計測チャンバーおよびビームストッパー、ビームライン上流からの寄生散乱を抑制することを目的としたX線光学系の製作を行い、SPring-8のビームラインを用いたバックグラウンドシグナル抑制に関する性能評価を行う予定である。性能評価および、気相試料によるX線回折の観測後、X線自由電子レーザーを利用した時間分解計測へと発展させる予定である。

３．1次元水素分子モデルに対して、拡張された多配置波動関数理論によって分子波動関数の時間変化を求める計算コードの開発は完了している。したがって、時間に依存する分子波動関数に対して、基底状態に用いたポテンシャルエネルギー解析ルーチンを適用することによって、強光子場との相互作用によって誘起される非断熱分子解離過程を電子の運動と関連付けて解析する。

研究成果

• [雑誌論文] Lasing action induced by femtosecond laser filamentation in ethanol flame for combustion diagnosis (2014)
  • 著者名/発表者名: W. Chu, H. Li, J. Ni, B. Zeng, J. Yao, H. Zhang, G. Li, C. Jing, H. Xie, H. Xu, K. Yamanouchi, Y. Cheng
  • 雑誌名: Appled Physics Letters 巻: 104 ページ: 091106-1-3
  • DOI: 10.1063/1.4867503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-Born-Oppenheimer molecular wave functions of H2 by extended multi-configuration time-dependent Hartree-Fock method (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Ide, T. Kato, K. Yamanouchi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 595-596C ページ: 180-184
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.01.055
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carrier-envelope-phase dependence of asymmetric C-D bond breaking in C2D2 in an intense few-cycle laser field (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Miura, T. Ando, K. Ootaka, A. Iwasaki, H. Xu, T. Okino, K. Yamanouchi, D. Hoff, T. Rathje, G. G. Paulus, M. Kitzler, A. Baltuska, G. Sansone, M, Nisoli
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 595-596C ページ: 61-66
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2014.01.045
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Laser-assisted electron diffraction for femtosecond molecular imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Morimoto, R. Kanya, K. Yamanouchi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 140 ページ: 064201-1-8
  • DOI: 10.1063/1.4863985
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic pre-determination of ethylene fragmentation dynamics (2014)
  • 著者名/発表者名: X. Xie, S. Roither, M. Schoffler, E. Lotstedt, D. Kartashov, L. Zhang, G. G. Paulus, A. Iwasaki, A. Baltuska, K. Yamanouchi, M. Kitzler
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 4 ページ: 021005-1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.4.021005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fragmentation of hydrocarbon molecules in intense laser fields studied by coincidence momentum imaging: a review (2014)
  • 著者名/発表者名: B. Yang, L. Zhang, H. Xu, R. Li, K. Yamanouchi
  • 雑誌名: Chinese Journal of Physics 巻: 52, 1-II ページ: 652-674
  • DOI: 10.6122/CJP.52.652
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laser-assisted electron scattering and diffraction in ultrashort intense laser fields (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Kanya, Y. Morimoto, K. Yamanuchi
  • 雑誌名: Progress in Ultrafast Intense Laser Science 巻: 10 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1007/978-3-319-00521-8_1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Strong and coherent forward emissions from molecules driven by femtosecond infrared laser pulses (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Xu, J. Yao, W. Chu, B. Zeng, J. Ni, G. Li, Y. Cheng, Z. Xu, D. Kartashov, S. Alisauskas, A. Pugzlys, A. Baltuska, K. Yamanouchi, S. L. Chin
  • 雑誌名: Progress in Ultrafast Intense Laser Science 巻: 10 ページ: 95-109
  • DOI: 10.1007/978-3-319-00521-8_7
  • 査読あり
• [学会発表] Ultrafast probing of molecules by pump-probe coincidence momentum imaging and laser assisted electron diffraction (2014)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: 28th ISMAS Symposium cum Workshop on Mass Spectrometry (28th ISMAS-WS-2014)
  • 発表場所: Timber Trail Heights, Parwanoo, H. P., India
  • 年月日: 2014-03-09 – 2014-03-13
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast hydrogen atom migration in hydrocarbon molecules induced by ultrashort intense laser fields (2013)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: The Fourth Asian Spectroscopy Conference (ASC2013)
  • 発表場所: Nanyang University of Technology, Singapore
  • 年月日: 2013-12-15 – 2013-12-18
  • 招待講演
• [学会発表] Frontiers in ultrafast intense laser science (2013)
  • 著者名/発表者名: 山内 薫
  • 学会等名: TCCI第３ 回実験化学との交流シンポジウム
  • 発表場所: 京都大学福井謙一記念研究センター
  • 年月日: 2013-11-05 – 2013-11-05
• [学会発表] Observation of femtosecond laser-assisted electron diffraction of CCl4 (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuya Morimoto, Reika Kanya, Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: The 12th International Symposium on Ultrafast Intense laser Science (ISUILS12)
  • 発表場所: Colegio Arzobispo Fonseca, Salamanca, Spain
  • 年月日: 2013-10-06 – 2013-10-11
• [学会発表] アセチレン分子のクーロン爆発過程における数サイクルパルスの搬送波包絡線位相依存性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 三浦 瞬，安藤俊明，大高一樹，岩崎純史，Huailiang Xu，沖野友哉，山内 薫，Dominik Hoff，Tim Rathje，Gerhard G. Paulus，Markus Kitzler，Andrius Baltuka，Giuseppe Sanzone，Mauro Nisoli
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ，京都府
  • 年月日: 2013-09-24 – 2013-09-27
• [学会発表] 数サイクルパルスを用いたポンプ・プローブコインシデンス運動量画像法による強光子場中メタンの解離過程の追跡 (2013)
  • 著者名/発表者名: 島本章弘，安藤俊明，三浦 瞬，岩崎純史，山内 薫
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ，京都府
  • 年月日: 2013-09-24 – 2013-09-27
• [学会発表] 数サイクル強レーザーパルスに誘起されたメタノールの解離過程のポンプ・プローブコインシデンス運動量画像法による観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 安藤俊明、三浦 瞬，島本章弘安藤俊明、三浦 瞬、島本章弘、岩崎純史安藤俊明、三浦 瞬，島本章弘，岩崎純史，大高一樹，Huailiang Xu，山内 薫大高一樹、Huailiang Xu, 山内 薫岩崎純史、大高一樹、Huailiang Xu, 山内 薫
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ，京都府
  • 年月日: 2013-09-24 – 2013-09-27
• [学会発表] CCl4のフェムト秒レーザーアシステッド電子回折像の観測と瞬時的分子構造の決定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 森本裕也，歸家令果，山内 薫
  • 学会等名: 第7回分子科学討論会
  • 発表場所: 京都テルサ，京都府
  • 年月日: 2013-09-24 – 2013-09-27
• [学会発表] Stable operation of HHG-seeded EUV-FEL at the SCSS test accelerator (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Tomizawa, T. Hara, T. Ishikawa, K. Ogawa, H. Tanaka, T. Tanaka, T. Togashi, K. Togawa, M. Yabashi, M. Aoyama, K. Yamakawa, A. Iwasaki, S. Owada, T. Sato, K. Yamanouchi, S. Matsubara, Y. Okayasu, T. Watanabe, K. Midorikawa, E. Takahashi
  • 学会等名: 35th International Free-Electron Laser Conference (FEL2013)
  • 発表場所: New York Marriott Marquis Hotel, Manhattan, USA
  • 年月日: 2013-08-25 – 2013-08-30
• [学会発表] Hydrogen atom migration in hydrocarbon molecules induced by intense laser fields (2013)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: IUPAC 2013 44th World Chemistry Congress
  • 発表場所: Istanbul, Turkey
  • 年月日: 2013-08-11 – 2013-08-16
  • 招待講演
• [学会発表] EOタイミング制御によるHHGシードFELの持続的発振 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡部貴宏，青山 誠，岩崎純史，大竹雄次，大島隆，岡安雄一，小川奏，大和田成起，佐藤尭洋，富樫 格，渡川和晃，原 徹，田中隆次，冨澤宏光，松原伸一，高橋栄治，緑川克美，矢橋牧名，山川考一，山内 薫，田中均，石川哲也
  • 学会等名: 第10回加速器学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス，名古屋市，愛知県
  • 年月日: 2013-08-03 – 2013-08-05
• [学会発表] Full-coherent HHG-seeded EUV-FEL ｌocked by EOS ｔiming ｆeedback (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ogawa, T. Sato, S. Matsubara, Y. Okayasu, T. Togashi, T. Watanabe, E. J. Takahashi, K. Midorikawa, M. Aoyama, K. Yamakawa, A. Iwasaki, S. Owada, K. Yamanouchi, T. Ohshima, Y. Otake, T. Hara, T. Tanaka, H. Tanaka, H. Tomizawa, M. Yabashi, T. Ishikawa
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2013-06-30 – 2013-07-04
• [学会発表] A few tens of microjoule full-coherent EUV-FEL seeded by high-order harmonic beam (2013)
  • 著者名/発表者名: E. J. Takahashi, T. Togashi, M. Aoyama, K. Yamakawa, T. Sato, A. Iwasaki, S. Owada, K. Yamanouchi, T. Hara, S. Matsubara, K. Ogawa, H. Ohshima, Y. Okayasu, Y. Otake, H. Tanaka, T. Tanaka, H. Tomizawa, T. Watanabe, M. Yabashi, K. Midorikawa, T. Ishikawa
  • 学会等名: CLEO: QELS_Fundamental Science
  • 発表場所: San Jose, California, United States
  • 年月日: 2013-06-09 – 2013-06-14
• [学会発表] Ultrafast hydrogen migration in methanol probed by few-cycle laser pulses (2013)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Ando, Kazuki Ootaka, Shun Miura, Akihiro Shimamoto, Atsushi Iwasaki, Huailiang, Xu, Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: 19th International Conference on Ultrafast Phenomena
  • 発表場所: 東北大学 片平キャンパス，仙台市，宮城県
  • 年月日: 2013-06-05 – 2013-06-07
• [学会発表] Amplification of backward fluorescence of N2 in femtosecond laser induced filament (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Owada, Atsushi Iwasaki, Kaoru Yamanouchi, Ali Azarm, Hosseini Sima, See Leang Chin
  • 学会等名: 第29回化学反応討論会
  • 発表場所: 東北大学 片平キャンパス，仙台市，宮城県
  • 年月日: 2013-06-05 – 2013-06-07
• [学会発表] Full-coherent free electron laser seeded by high-order harmonics of near-infrared femtosecond laser pulses (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Iwasaki, S. Owada, S. Ogami, T. Sato, T. Togashi, E. J. Takahashi, K. Midorikawa, M. Aoyama, K. Yamakawa, S. Matsubara, K. Ogawa, Y. Okayasu, H. Tomizawa, T. Watanabe, M. Nagasono, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Yamanouchi
  • 学会等名: 第29回化学反応討論会
  • 発表場所: 東北大学 片平キャンパス，仙台市，宮城県
  • 年月日: 2013-06-05 – 2013-06-07
• [学会発表] Ultrafast hydrogen atom migration in hydrocarbon molecules induced by intense laser fields (2013)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: Short Pulse Strong Field Laser Physics International Symposium Honoring See Leang Chin
  • 発表場所: Quebec City, Canada
  • 年月日: 2013-05-21 – 2013-05-24
  • 招待講演
• [学会発表] Temporal overlapping for HHG- seeded EUV-FEL operation by using EOS-based timing-drift controlling system (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Matsubara, T. Togashi , E. J. Takahashi , K. Midorikawa, M. Aoyama, .K. Yamakawa, T. Sato, A. Iwasaki, S. Owada, K. Yamanouchi, K. Togawa, T. Hara, K. Ogawa, T. Ohshima, Y. Okayasu, Y. Otake , H. Tanaka, T. Tanaka, H. Tomizawa, T. Watanabe, M. Yabashi, T. Ishikawa
  • 学会等名: The European Conference on Lasers and Electro-Optics
  • 発表場所: Munich, Germany
  • 年月日: 2013-05-12 – 2013-05-16
• [学会発表] Hydrogen atom migration in hydrocarbon molecules induced by ultrashort intense laser fields (2013)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: The 4th Shanghai-Tokyo Advanced Research Symposium on Ultrafast Intense Laser Science (STAR4)
  • 発表場所: SIOM, Shanghai, China
  • 年月日: 2013-05-08 – 2013-05-10
  • 招待講演
• [学会発表] Laser-assisted electron diffraction for ultrafast molecular imaging (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuya Morimoto, Kakuta Ishida, Reika Kanya, Kaoru Yamanouchi
  • 学会等名: The 4th Shanghai-Tokyo Advanced Research Symposium on Ultrafast Intense Laser Science (STAR4)
  • 発表場所: SIOM, Shanghai, China
  • 年月日: 2013-05-08 – 2013-05-10
  • 招待講演
• [図書] Progress in Ultrafast Intense Laser Science X (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Yamanouchi, G. G. Paulus, D. Mathur, editors
  • 総ページ数: 156
  • 出版者: Springer International Publishing