[論文レビュー] Fullerene photoemission time delay explores molecular cavity in attoseconds

Maia Magrakvelidze, Dylan M. Anstine+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2014

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、分子カビュールに起因するエネルギー極小と関連するC60のHOMOおよびHOMO-1軌道からの光電子放出におけるアトセカンド時間遅れを明らかにした。時間に依存する局所密度近似（TDLDA）を用いて、電子相関効果が極小点で特徴づけられる多電子力の直接的なプローブとしての役割を示した。アトセカンドRABITT干渉計測定法により、フラーレンおよびナノ構造における電子相関の直接的探索が可能である。

ABSTRACT

Photoelectron spectroscopy earlier probed oscillations in C60 valence emissions, producing series of minima whose energy separation depends on the molecular cavity. We show here that the quantum phase at these cavity minima exhibits variations from strong electron correlations in C60, causing rich structures in the emission time delay. Hence, these minima offer unique spectral zones to directly explore multielectron forces via attosecond RABITT interferometry not only in fullerenes, but also in clusters and nanostructures for which such minima are likely abundant.

研究の動機と目的

• 時間に依存する量子ダイナミクスを用いて、C60の最高占有分子軌道（HOMOおよびHOMO-1）からのアトセカンド時間遅れを調査すること。
• 分子カビュールに起因するエネルギー極小点における電子相関効果が、光電子の量子位相および時間遅れにどのように現れるかを明らかにすること。
• これらの極小点が、アトセカンドRABITT干渉計測定法を用いた多電子力のプローブとして理想的なスペクトル領域を提供することを確立すること。
• 有限な電子ガス閉じ込めを示すクラスター系およびナノ構造へのアトセカンドメトロロジーの適用範囲を拡張すること。
• カビュール誘起極小点が、分子サイズおよび動的電子相関の両方の直接的シグナチャーを写し取ることを示すこと。

提案手法

• 電子相関をKohn-Shamフレームワークを用いて組み込んだ時間に依存する局所密度近似（TDLDA）を用いて、C60がXUV放射に応答する動的応答をシミュレートした。
• C60コアを表すために、60個のC4+イオン（R = 3.54 Å、Δ = 1.3 Å）から成る球殻モデルを用い、漸近的ポテンシャル挙動を正確に再現するため、Leeuwen-Baerends（LB94）交換相関関数を採用した。
• 誘導された電子密度変化は、Dyson方程式を用いて計算した：δρ(r;ω) = ∫χ₀(r,r';ω)[z' + δV(r';ω)]dr' ここでδVにはクーロン項および交換相関項が含まれる。
• 遷移行列要素の位相微分を用いてWigner-Smith時間遅れを計算した：τ(E) = d/dE [arg⟨ψ_nl(E)|1/|r_nl - r_λ||ψ_nl(E')⟩] ここでチャネル間結合を含む。
• 球ベッセル関数を用いて光電子波動関数をモデル化し、運動量空間における正弦波的振動を導出し、極小点間隔とC60半径との関連を付与した。
• 240個の拡散化価電子および30個の開放チャネルを含む完全なTDLDAフレームワークを用いて、チャネル間結合を考慮し、複雑な相関効果を捉えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C60のHOMOおよびHOMO-1軌道からの光電子放出における電子相関効果が、エネルギー極小点での時間遅れにどのように影響を与えるか？
• RQ2 分子カビュールに起因する光電子放出断面積の極小点が、多電子ダイナミクスの感受性の高いプローブとして機能できるか？
• RQ3 チャネル間結合およびクーロン相互作用が、カビュール極小点付近のアトセカンド時間遅れ構造をどのように形作るか？
• RQ4 観測された時間遅れ特徴が、C60カビュールのサイズおよび価電子の拡散化性質をどの程度反映しているか？
• RQ5 この手法は、有限な電子ガス閉じ込めを示す金属クラスターまたは量子ドットなどの他のナノ構造へ一般化可能か？

主な発見

• C60の価電子領域におけるエネルギー極小点で、光電子放出時間遅れに強く構造化された変動が観測され、負の遅れは動的電子相関効果に起因する速い放出を示している。
• 光電子波動関数の節構造に起因する光電子放出断面積の極小点は、直接的に分子カビュールサイズに関連しており、波数間隔Δkから得られる半径推定値は実験的C60半径と整合的である。
• HOMOでは、内側電子からの強い外向き相関力により、極小点で主に負の時間遅れを示すが、HOMO-1では150 eVで第二の正の遅れが観測され、HOMOへの結合に起因する部分的ブロッキングを示している。
• 交換相関関数の変更に対しても時間遅れ構造は安定しており、やや精度が低いGunnarsson関数を用いても同様の定性的特徴が観測された。
• 本手法により、調和帯域幅（約100 meV）に制限されるスペクトル分解能でアトセカンドダイナミクスにアクセス可能であり、HOMO–HOMO-1間隔（1.3 eV）はRABITTにより実験的に分解可能である。
• 本手法は、XUV偏光を整えることで非双極子効果を最小限に抑えることで、くさび型フラーレン、カーボンナノチューブ、および部分的対称性を示すナノ構造へも応用可能である。