[論文レビュー] Imaging charge-migration in chiral molecules using time-resolved x-ray diffraction

Sucharita Giri, Jean Christophe Tremblay+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Advanced Chemical Physics Studies参考文献 82被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、時間分解X線回折（TRXD）が、線形偏光光を用いたポンププローブ設定により、らせん性分子であるエポキシプロパンの超高速電荷移動をイメージングできることを示している。主な発見は、らせん性に依存する電子フラックスダイナミクスのため、エナンチオマー間でTRXD信号に顕著な差が生じ、X線散乱を用いて分子のヘリシティを直接区別可能であるということである。

ABSTRACT

Four-dimensional imaging of charge migration is crucial to the understanding of several ubiquitous processes in nature. The present work focuses on imaging of charge migration in an oriented epoxypropane: a chiral molecule. A linearly polarized pulse is used to induce the charge migration, which is imaged by time-resolved x-ray diffraction. It is found that the total time-resolved diffraction signals are significantly different for both enantiomers. Furthermore, a connection between time-resolved x-ray diffraction and the electronic continuity equation is discussed by analyzing the time-dependent diffraction signal and the time derivative of the total electron density in the momentum space.

研究の動機と目的

• 時間分解X線回折（TRXD）を用いてらせん性分子における超高速電荷移動ダイナミクスをイメージングすること。
• TRXDがらせん性分子のエナンチオマーを、らせん性ポンプ場への電子的応答に基づいて区別できるかどうかを調査すること。
• 時間分解X線回折信号と運動量空間における電子連続の式との間の関係を確立すること。
• TRXDが非平衡電子ダイナミクスをプローブするため、電子フラックス密度解析と補完的であることを実証すること。

提案手法

• イオン化しきい値未満の31個の励起状態を含む、ハイブリッド時間依存密度汎関数理論－配置相互作用（TDDFT-CI）を用いて、超高速電子ダイナミクスをシミュレートする。
• 予め条件を整えた適応的ルンゲ＝クッタ法を用いて、線形偏光レーザーパルス下での多体波動関数の時間発展をモデル化する。
• 多体波動関数から1電子密度および電子フラックス密度を、detCI@ORBKITツールボックスを用いて計算する。
• 時間分解X線回折信号を、微分散確率（DSP）式を介して計算し、運動量空間における電子密度の時間微分と関連付ける。
• TRXD信号と量子連続の式 ∂tρ(r,t) = −∇·j(r,t) の関係を分析する。
• 同一の励起条件下でエポキシプロパンの両エナンチオマーのシミュレーションを実施し、それらのTRXD応答を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間分解X線回折（TRXD）は、エナンチオマー特異的な感度を有して、らせん性分子における電荷移動ダイナミクスを検出およびイメージングできるか？
• RQ2 同一の励起条件下で、エポキシプロパンの二つのエナンチオマー間の時間分解X線回折信号にどのような差が生じるか？
• RQ3 TRXD信号が、超高速電荷移動中に電子フラックス密度に関するどの程度の情報を符号化しているか？
• RQ4 時間分解X線回折信号と運動量空間における電子密度の時間微分との間に、直接的な理論的リンクが存在するか？
• RQ5 TRXDは、らせん性分子における絶対配置の決定法として実用的であるか？

主な発見

• エポキシプロパンの二つのエナンチオマーにおける総時間分解X線回折信号は顕著に異なり、エナンチオマー特異的な散乱応答を示している。
• TRXD信号は、電子連続の式によって予測されるように、運動量空間における電子密度の時間微分に直接関係している。
• 時間に依存する波動関数から導出された電子フラックス密度は、線形偏光光への応答としてらせん性の非対称性を示しており、これがTRXD信号に符号化されている。
• シミュレーション結果から、連続の式が非常に高い精度で満たされていることが確認され、計算されたフラックスおよび密度ダイナミクスの信頼性が裏付けられた。
• 本手法は、らせん性プローブや円偏光光を用いずに、線形偏光ポンプとX線プローブのみでエナンチオマーを区別する道筋を提供する。
• 本研究により、TRXDが、光電子円二色性や高調波生成といった既存手法と補完的であることが確立された。