2019 Fiscal Year Annual Research Report
Visualizing ultrafast dynamics of molecular structure with femtosecond X-ray solution scattering
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17H06141
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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100フェムト秒以下の時間分解能の時間分解X線計測を実現することを目指している。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。
2019年度は、これまでにSACLAにおいて得られている、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完了し、論文を投稿した。また本研究の計測システムの時間分解能を評価し、その結果を研究論文で報告した（Katayama et al., Nature Comm., 10, 3606 (2019)）。計測システムの立ち上がり信号の時間形状から求められる装置関数を、ガウス関数でフィットした際の半値全幅から、時間分解能は70フェムト秒と評価した。この値は、XFELのパルス幅(6 fs)、励起用レーザーのパルス幅(45 fs)、タイム・スタンプの時間精度(16 fs)等の装置パラメータを畳み込んだ値にほぼ一致している。また、この論文では、銅1価フェナントロリン錯体の光励起後の構造変化と分子振動の計測を試み、Cu-K吸収端でのX線吸収分光スペクトルの解析から、光励起直後の電子移動（MLCT）に伴う錯体構造のヤーン・テラー歪みと分子振動を明らかにした。このような時間分解X線計測の応用展開を目指した検討を、他の試料や計測法についても積極的に進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2017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。このシステムの時間分解能の評価結果に関する論文を2019年度に発表した。
時間分解X線溶液散乱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が、データの解析と考察はほぼ完了し、現在論文を投稿中である。これを踏まえて、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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。 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。
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[Book] Ｘ線分光2019
Author(s)
日本化学会、福本 恵紀、野澤 俊介、足立 伸一
Total Pages
126
Publisher
共立出版
ISBN
978-4-320-04472-2
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