名大ら,強レーザー場トンネル現象で光吸収を可視化

名古屋大学,電気通信大学,放送大学らの共同研究チームは,モスクワ物理工科大学と共同で,強レーザー場におけるトンネル現象を利用した新しい計測法を用い,光吸収する分子の様子を電子分布の変化として可視化することに成功した(ニュースリリース)。

分子内の電子の運動は,化学結合の切断や生成を決定づける働きをしている。このため,分子内を動き回る電子の「動画」を撮影し,その詳細を実時間で捉えることは,化学反応の深い理解を目指す上で重要なマイルストーンの一つとなる。

今回研究グループは,強いレーザー光を照射した際に起こる光の強い電場によるイオン化,すなわち「トンネルイオン化」を利用して,一酸化窒素分子の光吸収過程を観測した。

トンネルイオン化は分子に強い電場をかけた際に,束縛ポテンシャルが歪んでできた障壁を電子がトンネル効果によって透過することで起こる現象。トンネルイオン化の起こりやすさは電場方向の電子の存在確率によって決まるため,これを利用して分子内の電子分布形状を高い精度で調べることができる。

トンネルイオン化は強いレーザー場でも起こすことができ,超短パルスレーザーを用いることで反応追跡に必要なフェムト秒程度の極めて高い時間分解能が期待できる。

強レーザーパルスによるトンネルイオン化イメージングは,これまで分子の基底状態を用いて検証が進められ,原子核から離れた位置での電子分布が可視化できることが示されてきた。一方で,例えば光反応などで重要な役割を果たす電子励起状態にこの手法が適用できるかどうかは自明ではない。

これは,エネルギーの高い励起状態は実効的なイオン化ポテンシャルが著しく低いため,可視化に必要なトンネル過程だけでなく,多光子吸収によるイオン化の寄与が大きくなることが予想されるため。

今回研究グループは,10フェムト秒以下の極めて短い時間幅をもつ強レーザーパルス(800nm)と3次元イオン画像計測システムを用いた実験を行なった。一酸化窒素(NO)分子を対象として,紫外光(226nm)吸収の前後で電子分布変化を調べたところ,光照射前の電子分布はクローバー型,照射後は楕円型であることがわかった。

この結果は基底状態と励起状態の分子軌道に基づく理論計算からの予想と良い一致を示し,極めて短い間だけ存在する励起分子の電子分布形状を捉えると同時に,光吸収によるその変化を可視化することに成功した。これは,レーザートンネルイオン化イメージングが化学反応過程における電子の動画を撮影する手法として有用であることを示す成果

分子内での電子の動きは化学反応で重要な役割を果たし,様々な物質の合成を通じて私たちの生活に大きな関わりをもっている。今回の研究で用いた手法を発展させることによって,反応途中の分子において電子がどのように動いているかを撮影することができるようになり,化学反応過程のより深い理解とその高精度な制御に向けた新たな指針が得られるものと期待されるとしている。

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