内核励起分子の超高速電子過程の観測に成功 ～アト秒領域の電子過程の新しい理解～
東京大学物性研究所の齋藤成之大学院生（当時、現所属：株式会社プレイド）と板谷治郎准教授らのグループは、University of Central FloridaのZenghu Chang教授、Luca Argenti助教授らのグループと共同で、高強度赤外レーザーから発生させた数百アト秒(1アト秒=10-18 秒)の時間幅を持つ波長3 nmの軟X線パルスを用いて、サブフェムト秒領域(1フェムト秒=10-15 秒)の時間スケールで起こる亜酸化窒素分子内の電子ダイナミクスの観測に成功しました。
板谷研究室ではこれまでに、赤外域の高強度極短パルス光源の開発を進め、「高次高調波」と呼ばれるコヒーレントなアト秒パルス光の波長域を極端紫外(波長6~120 nm)から軟Ｘ線領域(波長0.5~6 nm)へと拡大し、波長3 nmの軟X線を用いたアト秒ポンプ・プローブ分光を実現しました。軟X線を用いることにより、各元素の「吸収端」と呼ばれる、吸収が急峻に増大する波長領域での実験が可能となり、物質の性質を特徴づける電子状態を光学的に観測できます。また、アト秒という時間領域は、原子・分子内部における電子の動的過程を特徴づける時間スケールであることから、アト秒という極めて短い時間幅の光パルスを用いることによって、分子内での電子ダイナミクスを観測できます。
本研究では、軟X線領域でのアト秒ポンプ・プローブ分光において観測された吸収スペクトルの超高速振動の起源を、実験結果と精密な理論計算を対応させることにより、明らかにしました（図２）。実験では、亜酸化窒素(N2O)分子が強い光の電場でイオン化する際に、窒素の吸収端付近の吸収スペクトルが光電場の半周期(約2.7 フェムト秒)で振動する様子が観測されました。精密な理論計算との比較により、その起源が、アト秒軟X線パルスによって生成された内核励起状態のN2O分子が、強い赤外パルスの光電場によってトンネルイオン化するためであることを示しました。
従来の高強度レーザーパルスと軟X線パルスを用いた「ポンプ・プローブ分光」では、「一方がポンプ光、他方がプローブ光」と考えることが一般的です。それに対し本実験では、軟X線アト秒パルスによって内核励起された分子が、レーザーパルスによってイオン化するという二段階の過程が、内核励起に用いられた軟X線アト秒パルスの吸収スペクトルに反映されていることを明らかにしました。本研究結果は、軟X線アト秒パルスを用いた軟X線過渡吸収分光において、きわめて短時間しか存在しない内核励起状態の電子過程を直接的に観測できることを示したものであり、軟X線アト秒パルスを用いた過渡吸収分光の新しい可能性を示したものといえます。
本研究で実証された実験手法により、内核励起された原子・分子の電子状態の変化を内殻励起によって誘起された軟X線吸収スペクトルの変化から全光学的に観測することが可能となり、今後、窒素が関連する光触媒反応等、応用上重要な光誘起電子移動過程の素過程の理解に寄与すると期待されます。また、今後さらにアト秒軟X線パルスの波長を短くすることにより、より多くの元素の吸収端をカバーし、電子状態の変化だけでなく、分子構造の変化の様子も観測可能になると考えられます。
本研究は、JSPS科研費JP18H05250、光・量子飛躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP) JPMXS0118068681、フォトンサイエンス・リーディング大学院(ALPS)等の助成を受けて行われました。
発表論文
- 雑誌名：Physical Review Research
- 論文タイル：Attosecond electronic dynamics of core-excited states of N2O in the soft X-ray region
- 著者： Nariyuki Saito, Nicolas Douguet, Hiroki Sannohe, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Yi Wu, Andrew Chew, Seunghwoi Han, Barry I. Schneider, Jeppe Olsen, Luca Argenti, Zenghu Chang, and Jiro Itatani
- DOI：10.1103/PhysRevResearch.3.043222