2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of theory on sum frequency generation spectroscopy
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20H00368
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
森田 明弘 東北大学, 理学研究科, 教授 (70252418)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 分子シミュレーション / 液体界面 / 振動分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体の界面は多くの分野にまたがる重要な対象であるが、現象論を超えて精密にミクロな界面現象を解明する試みは、意外なほど未開拓であった。本研究の目的は、液体界面の構造と機能を、分子レベルの精緻な手法と新たな理論的な視点によって格段に解明することである。本研究では、液体界面をミクロに観測できる有力な２大手法といえる和周波分光と分子動力学計算の緊密な協力を遂行できる特長をもち、これは本グループの和周波分光の理論開発によって実現されたものである。今後実験計測との共同研究を含めて液液界面や有機薄膜、電極界面などへと研究対象を展開する。さらに理論面でも、申請者が確立した界面の非線形感受率の理論と計算手法を発展させて、界面分光の基礎にある未解決な問題に取り組み、界面分光の包括的な理解を確立する。
今年度には水表面でバルク中とは異なる特異的な反応性を示す典型的な例として、フェノールの光化学反応の機構を超高速分光の実験と共同で取り組み、反応速度を支配する非断熱遷移の障壁が水表面の溶媒和によって変わることによることを解明した。また、和周波分光を分子動力学によって計算する際に、従来見逃されていたバルク中の境界条件の影響を明らかとし、その理由と正しい境界条件の取り方を確立した。さらに微小な差スペクトルを効率よく計算で解析する手法を発展させ、またそれを用いて水溶液内でのイオンペア形成の情報を解析できることを示した。
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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
本研究課題は、界面分光の理論開発を国際的に先導する体制をもとに界面分光の理論を包括的に確立することを目指す。研究代表者は、界面非線形スペクトルを支配する中心的な物性量である非線形感受率の基礎表式と計算手法を確立してきた。本研究課題の発足後には、非線形感受率に含まれるバルクの四重極効果も求める手法を与え、この包括的な解明が進展中である。さらに概要でも述べたように、従来問題とされてこなかったフレネル係数の分散の効果を解明し、実験的な解析にも使いやすい形にプログラムの実装を与えて公開した。
上の「研究実績の概要」にも示したように、本年度には和周波分光の理論計算の基礎に関わる正しい境界条件の取り方を確立し、さらに従来計算が困難であった微小な差スペクトルの計算と解析手法を実用化した。これらをもとに分光測定実験との共同研究も進展させ、水表面の超高速分光で観測される表面特異的な光化学反応機構の解明、さらに差スペクトル解析の応用としてのイオンペア形成の解析も成果として示すことができた。
これらは当初の研究計画を具現化する成果であり、界面分光の理論での国際的なリードを確立するうえでも重要な成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本プロジェクトでの残された期間に、以下の2つの点を確立する。
(1) 和周波分光の理論： 我々はこれまでに界面和周波分光を与える非線形感受率の基礎表式と計算手法を示し、その後さらに本プロジェクトによって、和周波分光におけるバルク成分や四重極などの効果についても研究してきた。これらの新しい発展をふまえて、和周波分光の包括的な理論を与え、四重極成分やそれに対する局所場やフレネル係数などの効果も正しく取り入れることを可能とする。
(2) 近接場分光への発展： 近年和周波分光における界面平行方向の空間分解能を飛躍的に高める工夫として、近接場光による和周波分光が提案され、新たな実験の発展を見せている。近接場光では、従来の光の電場とは異なる空間分布をもつため、その解析には従来とは異なるものとなり、それに対する理論解析の方法を確立する。
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