[論文レビュー] Real-time observation of electronic, vibrational, and rotational dynamics in nitric oxide with attosecond soft X-ray pulses at 400 eV

Nariyuki Saito, Hiroki Sannohe+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高次調波生成（HHG）により生成された400 eVのアトセカンド軟X線パルスを用いて、窒化酸素（NO）における電子的・振動的・回転的運動のリアルタイムで全光学的な観測を実現した。窒素K殻遷移をプローブすることで、アトセカンドからサブピコ秒スケールの時間領域において、電子運動と核運動を同時に解像できる。これは、1回の実験で全3自由度を要因として、元素および電子状態特異的かつ包括的に測定した初の試みである。

ABSTRACT

Photoinduced quantum dynamics in molecules have hierarchical temporal structures with different energy scales that are associated with electron and nuclear motions. Femtosecond-to-attosecond transient absorption spectroscopy (TAS) using high-harmonic generation (HHG) with a photon energy below 300 eV has been a powerful tool to observe such electron and nuclear dynamics in a table-top manner. However, comprehensive measurements of the electronic, vibrational, and rotational molecular dynamics have not yet been achieved. Here, we demonstrate HHG-based TAS at the nitrogen K-edge (400 eV) for the first time, and observe all the electronic, vibrational, and rotational degrees of freedom in a nitric oxide molecule at attosecond to sub-picosecond time scales. This method of employing core-to-valence transitions offers an all-optical approach to reveal complete molecular dynamics in photochemical reactions with element and electronic state specificity.

研究の動機と目的

• アトセカンド分解能を達成し、分子の電子的・振動的・回転的運動をリアルタイムで全光学的に観測すること。
• 従来の一時的吸収分光法の限界を克服し、分子の全3自由度を同時に測定できること。
• 400 eVの窒素K殻遷移を用いることで、高い特異性を有する複雑な分子運動をプローブする可能性を示すこと。
• 光化学的反応の元素および電子状態特異的モニタリングを実現するテーブルトップ手法を確立すること。

提案手法

• 高次調波生成（HHG）を用いて、窒素NOのK殻に焦点を当てた400 eVの孤立アトセカンド軟X線パルスを生成する。
• ポンプ・プローブ方式を採用し、極端な紫外線（XUV）ポンプが分子運動を誘発し、HHGで生成されたX線プローブが時間分解吸収スペクトルを捉える。
• 窒素K殻での一時的吸収分光法（TAS）を実施し、NOの核心準位から共有結合準位への電子遷移に感応する。
• 核心準位励起の元素特異性とアトセカンドパルスの時間分解能を活用し、複数のエネルギースケールにわたる運動を解像する。
• 時間遅延X線パルスを用いて、電子的・振動的・回転的状態の進化をサブフェムト秒の精度でマッピングする。
• 実験装置により、大規模施設を必要としない全光学的・テーブルトップ型の分子運動の観測が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 400 eVのアトセカンド軟X線パルスは、1つの分子系において電子的・振動的・回転的運動を同時に解像できるか？
• RQ2 核心準位吸収スペクトルの時間的進化は、窒化酸素における電子と核の結合運動をどのように反映するか？
• RQ3 窒素K殻での核心から共有結合準位遷移は、分子運動に関する元素特異的および電子状態特異的情報をどの程度提供できるか？
• RQ4 HHGを用いた一時的吸収分光法が400 eVでサブフェムト秒分解能を達成し、マルチスケールの分子運動を測定できるか？
• RQ5 観測された一時的吸収応答における回転的・振動的コherencesの役割は何か？

主な発見

• 本研究では、400 eVのアトセカンド軟X線パルスを用いて、窒化酸素における電子的・振動的・回転的運動の初のリアルタイム観測を達成した。
• 窒素K殻での核心準位プローブにより、サブフェムト秒分解能で元素特異的かつ電子状態特異的な分子運動のモニタリングが可能になった。
• 一時的吸収スペクトルは、アトセカンドからサブピコ秒スケールで進化する、振動的および回転的状態の重ね合わせのコherencesを明らかにした。
• この手法により、電子運動がアトセカンドスケールで、核運動がフェムト秒からピコ秒スケールで発現する階層的時間的構造が明確に解明された。
• 全光学的でHHGに基づくアプローチにより、大規模X線施設に代わるコンactでテーブルトップ型の超高速分子運動観測が可能になった。
• 結果から、核心から共有結合準位遷移が、光化学的反応における分子運動の完全なプローブとして強力であることが示された。