[論文レビュー] Echo in a Single Molecule

Junjie Qiang, Ilia Tutunnikov+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2019

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 48被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、超短パルスレーザーを用いて単一の非調和的分子内の振動波動関数を励起・再位相化することで、単一の孤立分子における量子波動関数エコーの初回実験的観測を実現した。主な結果は、アンサンブルの不均一性や環境による位相崩壊なしに、二番目のパルスによるコherentlyな再構成が可能であり、二つのメカニズムが同定された：acスターリング効果によるポテンシャルの揺らぎと、核分布における「空洞」形成によるものである。

ABSTRACT

Echo is a ubiquitous phenomenon found in many physical systems, ranging from spins in magnetic fields to particle beams in hadron accelerators. It is typically observed in inhomogeneously broadened ensembles of nonlinear objects, and is used to eliminate the effects of environmental-induced dephasing, enabling observation of proper, inherent object properties. Here, we report experimental observation of quantum wave packet echoes in a single isolated molecule. In contrast to conventional echoes, here the entire dephasing-rephasing cycle occurs within a single molecule without any inhomogeneous spread of molecular properties, or any interaction with the environment. In our experiments, we use a short laser pulse to impulsively excite a vibrational wave packet in an anharmonic molecular potential, and observe its oscillations and eventual dispersion with time. A second delayed pulsed excitation is applied, giving rise to an echo: a partial recovery of the initial coherent wavepacket. The vibrational dynamics of single molecules is visualized by time-delayed probe pulse dissociating them one at a time. Two mechanisms for the echo formation are discussed: ac Stark-induced molecular potential shaking and creation of depletion-induced "hole" in the nuclear spatial distribution. Interplay between the optically induced echoes and quantum revivals of the vibrational wave packets is observed and theoretically analyzed. The single molecule wave packet echoes may lead to the development of new tools for probing ultrafast intramolecular processes in various molecules.

研究の動機と目的

• アンサンブルの不均一性を回避するための単一の孤立分子におけるエコー現象の実証。
• 超短パルス励起下における単一の非調和的分子内のコherent波動関数ダイナミクスの調査。
• 単一分子系におけるエコー形成の背後にある物理的メカニズムの特定と区別。
• 単一分子振動ダイナミクスにおける光学的誘発エコーと量子リバイバルの相乗作用の解明。

提案手法

• 超短パルスレーザーを用いて、非調和的ポテンシャル内に存在する単一分子内の振動波動関数をインパルス的に励起する。
• 遅延した二番目のレーザーパルスが再位相化を引き起こし、初期波動関数のコherentな再構成を通じてエコー信号を生成する。
• 時間遅延を伴うプローブパルスを用いて個々の分子を解離させ、運動エネルギー放出（KER）を測定することで、波動関数ダイナミクスを可視化する。
• 数値的シミュレーションでは、ラプラシアン演算子に対して4次精度の有限差分法を用いて時間に依存するシュレーディンガー方程式を解く。
• 時間発展中にグリッド境界での波動関数の反射を防ぐために吸収境界条件を適用する。
• 周波数フィルタリングのためにフーリエ解析を用い、基本振動周波数の2倍以下の周波数成分を保持することで、エコーおよびリバイバル成分を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンサンブル平均化や環境による位相崩壊なしに、単一の孤立分子における量子波動関数エコーを観測できるか？
• RQ2 単一分子系におけるエコー形成を支配する主要な物理的メカニズムは何か？
• RQ3 光学的誘発エコーと振動波動関数内の内在的量子リバイバルの間にはどのような相互作用があるか？
• RQ4 acスターリング効果と核分布における脱欠損による「空洞」形成が、エコー形成にどの程度寄与しているか？
• RQ5 分子の非調和性が、単一分子内でのエコー回復を可能にする役割は何か？

主な発見

• 単一の孤立分子における量子波動関数エコーの初回実験的観測が達成され、アンサンブルの不均一性なしにコherentな回復が実証された。
• エコー形成は二つの明確に異なるメカニズムによって生じる：acスターリング効果によるポテンシャルの揺らぎと、核空間分布における脱欠損「空洞」の形成。
• 相互作用領域における振動温度は10 Kと推定され、系が主に基底状態に存在していることが保証された。
• 光学的誘発エコーと量子リバイバルの相乗作用が実験的に観測され、理論的に分析された。リバイバル周期は分子固有のエネルギー準位構造に関連していた。
• 離散的フーリエ変換による信号フィルタリングにより、基本周波数および第2高調波成分が分離され、高次リバイバル成分が除去された。
• 運動エネルギー放出（KER）分布は運動量空間の波動関数から計算され、時間分解解離生成物に明確なエコーの兆候が観察された。