XFELを用いた元素選択的な光触媒反応ダイナミクスの解明

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25790093
• 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, 研究員 (90648073)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 時間分解X線吸収分光 / X線自由電子レーザー

研究実績の概要

本年度は、初年度に開発した蛍光収量型の吸収分光法と同期レーザーを用いて時間分解X線吸収分光を様々な系に適用し、短寿命の反応中間体を観測した。
1. 鉄シュウ酸アンモニウム錯体水溶液について、同期レーザー照射後1ps以内の間にシュウ酸と鉄との結合が解離し、鉄イオンの価数が3価から2価に変わる様子を時分割で観察した。
2.光触媒として作用する酸化タングステンについて、可視光励起による価電子帯から伝導体への電子遷移の様子と構造の変化をフェムト-ピコ秒で追跡した。
時間分解X線吸収分光法そのものの開発に加え、XFELと同期レーザーの相対的なジッターによって制限されている時間分解能を改善するため、タイミングジッター計測法の開発を行った。タイミングジッターは高強度のX線が半導体試料(GaAsウェハー)に照射された際、急激な電子温度の上昇とともに同期レーザーの透過率が低下する現象を空間デコーディングと組み合わせて観測することにより、シングルショット毎に決定することができる。計測の結果、精度15フェムト秒で2つのパルス光(XFELと同期レーザー)の時間差を決定することに成功した。
この計測を時間分解X線吸収分光と組み合わせることにより、当初目標であった50フェムト秒の時間分解能は十分達成可能であることを示している。今後、発光分光法やX線散乱法を組み合わせることで、より包括的に化学反応の様子をフェムト秒の時間分解能で追跡することが可能になると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Femtosecond time-resolved X-ray absorption spectroscopy of liquid using a hard X-ray free electron laser in a dual-beam dispersive detection method (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Obara, Tetsuo Katayama, Yoshihiro Ogi, Takayuki Suzuki, Naoya Kurahashi, Shutaro Karashima, Yohei Chiba,Yusuke Isokawa,Tadashi Togashi, Yuichi Inubushi, Makina Yabashi, Toshinori Suzuki, and Kazuhiro Misawa
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 22 ページ: 1105-1113
  • DOI: 10.1364/OE.22.001105
  • 査読あり
• [学会発表] Ultrafast X-ray Absorption Spectroscopy Using Femto-second X-ray Pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: 岡崎コンファレンス
  • 発表場所: 愛知県岡崎市
  • 年月日: 2015-02-03 – 2015-02-05
  • 招待講演
• [学会発表] XFELを用いた超高速フェムト秒XAFS測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Katayama
  • 学会等名: 日本分析化学会
  • 発表場所: 広島県広島市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-19
  • 招待講演
• [備考] 世界で初めて、X線自由電子レーザーを用いたフェムト秒領域でのX線直接吸収分光測定に成功
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2014/140110/
• [備考] X線自由電子レーザーパルスの特性を生かした高効率X線吸収分光法の開発
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2013/130924/