[論文レビュー] Manipulating the torsion of molecules by strong laser pulses

C. B. Madsen, Lars Bojer Madsen+7 more|K-State Research Exchange (Kansas State University)|Sep 17, 2008

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ナノ秒およびフェムト秒レーザーパルスのシーケンスを用いて、孤立した3,5-ジフルオロ-3',5'-ジブロモビフェニル（DFDBrBPh）分子における回転運動のレーザー誘導制御を実証した。1064 nmの9 nsパルスがC–C結合軸を整列させ、その後に800 nmの700 fsパルス（垂直方向に偏光）が、フェムト秒コウルン爆発イメージングによりモニタリングされる共鳴的回転振動を誘起した。理論的解析により、1.2 psの振動周期と二面角における2.45°の振幅が確認された。

ABSTRACT

A proof-of-principle experiment is reported, where torsional motion of a molecule, consisting of a pair of phenyl rings, is induced by strong laser pulses. A nanosecond laser pulse spatially aligns the carbon-carbon bond axis, connecting the two phenyl rings, allowing a perpendicularly polarized, intense femtosecond pulse to initiate torsional motion accompanied by an overall rotation about the fixed axis. The induced motion is monitored by femtosecond time-resolved Coulomb explosion imaging. Our theoretical analysis accounts for and generalizes the experimental findings.

研究の動機と目的

• 強力場レーザーパルスを用いたキラルビフェニル誘導体における回転運動の実験的制御を示すこと。
• 孤立分子における超高速回転ダイナミクスの時間分解観測手法を開発すること。
• レーザー誘導回転スイッチングを通じて、将来的な分子エレクトロニクスおよびエナンチオ選択的化学への応用を可能にすること。
• 誘導された回転ポテンシャルの変更と波パッケットダイナミクスを理解するための理論的枠組みを提供すること。
• 分子の配置によって反転対称性を破ることで、レーザー駆動による脱ラセミゼーションの可能性を検討すること。

提案手法

• 9 ns、1064 nmの線形偏光レーザーパルスが、非共鳴双極子力によって、実験室フレーム内でのDFDBrBPh分子のC–C結合軸を整列させる。
• その後に、800 nm、700 fs、5×10¹² W/cm²のパルスが、整列した軸に対して垂直に偏光され、ベンゼン環間の二面角における回転運動を誘起する「キック」として作用する。
• 25 fs、800 nm、2×10¹⁴ W/cm²のプローブパルスがコウルン爆発を引き起こし、分子をイオン化させ、F⁺およびBr⁺断片の2次元イオンイメージングにより環の配置を再構築する。
• イオン断片の角度分布を解析して時間依存の二面角を抽出し、ピークの分裂を用いて回転運動の定量的評価を行う。
• 理論的シミュレーションでは、二重井戦型回転ポテンシャルを用いて二面角φdの時間発展をモデル化し、波パッケットダイナミクスとパルス誘導ポテンシャルの変更を考慮する。
• 拡張されたシミュレーションでは、事前に整列された分子に1.0 ps、1.2×10¹³ W/cm²のキックパルスを適用し、エナンチオ選択的スイッチングを検討した。その結果、Rₐエナンチオマーの99％がSₐに変換された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴励起を伴わず、強力場レーザーパルスがキラルビフェニル分子に共鳴的回転運動を誘起できるか？
• RQ2 非共鳴レーザー場が分子の回転ポテンシャルを一時的にどのように変更できるか、制御可能な分子運動を駆動できるか？
• RQ3 フェムト秒コウルン爆発イメージングは、1ピコ秒未塔の分解能で時間依存の回転ダイナミクスを解像できるか？
• RQ4 整形されたレーザーパルスと分子の配置を用いて、キラル分子のエナンチオ選択的スイッチングが可能か？
• RQ5 レーザー・キック後に二面角はどのように変化するか？また、理論的モデルは観測された振動を正確に再現できるか？

主な発見

• 実験では、二面角φdの1.2 psの振動周期が観測され、理論的予測の約1.2 psと一致しており、実験的値の約1 psとも整合的である。
• 理論的では回転振動の振幅が約2.45°と測定されたが、初期の3次元整列が欠落しているため、実験では約0.6°の小さな変調が予想される。
• F⁺イオンの角度分布は、tₚ = 1.47 psで明確な4ピーク構造を示し、共鳴的回転運動を示しており、イオン反動とキックパルス偏光の平均角度に対応する分裂が観察された。
• tₚ = 2.47 psでは、角度分布が広がり、位相のずれとコherentlyの喪失が示され、波パッケットの広がりを理論的予測と一致する。
• 理論的シミュレーションでは、レーザー・キック後にRₐエナンチオマーの99％がSₐに変換される一方、Sₐエナンチオマーの変換率は13％にとどまり、強いエナンチオ選択性が示された。
• 本手法により、時間分解的脱ラセミゼーションの観測が可能となり、ピコ秒スケールでの分子接合における超高速分子スイッチングの応用が期待される。