[論文レビュー] Probing the UV-Induced Photodissociation of CH$_ ext{3}$I and C$_ ext{6}$H$_ ext{3}$F$_ ext{2}$I with Femtosecond Time-Resolved Coulomb Explosion Imaging at FLASH

Kasra Amini, Evgeny Savelyev+33 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、FLASHにおけるフェムト秒XUVコロンブ爆発イメージングを用い、CH₃IおよびC₆H₃F₂Iにおける超高速光解離ダイナミクスを調査した。CH₃Iではイソトープ選択的内殻イオン化が観察され、メチル／フェニル基から多重正イオン化されたヨウ素へ電荷移動が生じる。結果は、電荷局在および電子再配置に対する時間分解能に優れた感度を示し、より複雑な分子では解離速度が遅いため、ダイナミクスが遅れることが明らかになった。

ABSTRACT

We explore time-resolved Coulomb explosion induced by intense, extreme ultraviolet (XUV) femtosecond pulses from the FLASH free-electron laser as a method to image photo-induced molecular dynamics in two molecules, iodomethane and 2,6-difluoroiodobenzene. At an excitation wavelength of 267\,nm, the dominant reaction pathway in both molecules is neutral dissociation via cleavage of the carbon--iodine bond. This allows investigating the influence of the molecular environment on the absorption of an intense, femtosecond XUV pulse and the subsequent Coulomb explosion process. We find that the XUV probe pulse induces local inner-shell ionization of atomic iodine in dissociating iodomethane, in contrast to non-selective ionization of all photofragments in difluoroiodobenzene. The results reveal evidence of electron transfer from methyl and phenyl moieties to a multiply charged iodine ion. In addition, indications for ultrafast charge rearrangement on the phenyl radical are found, suggesting that time-resolved Coulomb explosion imaging is sensitive to the localization of charge in extended molecules.

研究の動機と目的

• CH₃IおよびC₆H₃F₂IにおけるC–I結合切断後の超高速分子ダイナミクスを、時間分解コロンブ爆発イメージングを用いて調査すること。
• 分子環境が解離分子におけるXUVプローブ吸収およびイオン化選択性に与える影響を検討すること。
• 多原子光断片における電荷移動および電子再配置ダイナミクスを、100 fs未満の時間分解能でプローブすること。
• 拡張分子系における電荷局在に感応するサイト選択的XUVイオン化の感受性を評価すること。
• 分子構造の違いがコロンブ爆発に続く電子再配置の時間スケールに与える影響を比較すること。

提案手法

• 強力でフェムト秒スケールのXUVパルスをFLASH自由電子レーザーから得て、時間分解コロンブ爆発イメージングのプローブとして用いる。
• 267 nmのUVパルスをポンプとして用いC–I結合の解離を誘発し、遅延したXUVパルスでコロンブ爆発をトリガーするポンプ・プローブ法を採用する。
• ヨウ素原子のサイト選択的内殻イオン化を適用し、解離分子におけるヨウ素断片の選択的プローブを実現する。
• 時間飛行質量分析計を用いて断片イオンの運動量を測定し、さまざまな遅延時間における分子幾何学的構造および電荷状態を再構築する。
• イオン-イオン連関および共分散パターンを分析し、電子ダイナミクスおよび電荷移動プロセスを推定する。
• メチル基を有するCH₃Iとフェニル環を有するC₆H₃F₂Iの結果を比較し、電子ダイナミクスにおける分子トポロジーの役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイト選択的XUVイオン化がCH₃IおよびC₆H₃F₂Iにおける光断片の検出およびダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ2 C–I結合切断後に、有機モietiesから多重正イオン化ヨウ素イオンへ電荷移動が発生する時間スケールは何か？
• RQ3 分子環境（メチル基対フェニル基）が、光断片における電荷再配置の速度に与える影響は何か？
• RQ4 XUVプローブ吸収がどの程度ヨウ素原子に局在化するか、そしてこれはコロンブ爆発データの解釈にどのように影響するか？
• RQ5 時間分解コロンブ爆発イメージングは、100 fs未満の分解能で多原子系における超高速電子ダイナミクスを解像可能か？

主な発見

• CH₃Iでは、XUVプローブパルスが選択的吸収によりヨウ素原子でのみ局在的内殻イオン化を誘発し、サイト特異的プローブが可能となった。
• C₆H₃F₂IではXUV吸収がやや非選択性であり、複数の断片がイオン化され、光断片ダイナミクスの広範な検出が可能となった。
• 両分子において、メチルおよびフェニルモイティーズから多重正イオン化ヨウ素イオンへの電子移動の証拠が観察された。
• C₆H₃F₂Iにおける電子再配置の時間スケールはCH₃Iよりも遅く、フェニルラジカル断片の解離速度が遅いためとされる。
• フェニルラジカルにおける超高速電荷再配置が観察され、時間分解CEIが拡張π共有系における電荷局在に感受することを示した。
• XUV誘発コロンブ爆発イメージングは、X線CEIと比較して短い核間距離における分子軌道に高い感度を示し、電子構造の進化を詳細にプローブ可能であると示した。