[論文レビュー] Time-Resolved Coulomb Explosion Imaging Unveils Ultrafast Ring Opening of Furan

Enliang Wang, Surjendu Bhattacharyya+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、198 nm励起後にガス相フuranにおける超高速核運動を直接可視化するために、フェムト秒近赤外パルスを用いた時間分解Coulomb爆発イメージングを採用している。研究では、100 fs以内に支配的となるリング開口経路が同定され、実験データとab initioシミュレーションを統合することで、長年の文献上の矛盾が解消された。

ABSTRACT

Following the changes in molecular structure throughout the entirety of a chemical reaction with atomic resolution is a long-term goal in femtochemistry. Although the development of a plethora of ultrafast technique has enabled detailed investigations of the electronic and nuclear dynamics on femtosecond time scales, direct and unambiguous imaging of the nuclear motion during a reaction is still a major challenge. Here, we apply time-resolved Coulomb explosion imaging with femtosecond near-infrared pulses to visualize the ultraviolet-induced ultrafast molecular dynamics of gas-phase furan. Widely contradicting predictions and observations for this molecule have been reported in the literature. By combining the experimental Coulomb explosion imaging data with ab initio molecular dynamics and Coulomb explosion simulations, we reveal the presence of a strong ultrafast ring-opening pathway upon excitation at 198 nm that occurs within 100 fs.

研究の動機と目的

• 化学反応中の核運動をリアルタイムで原子分解能で直接イメージングすること。
• 198 nm励起後のフランの超高速ダイナミクスに関して、矛盾する実験的および理論的予測を解消すること。
• 一時的分子状態における構造変化をプローブする手法として、時間分解Coulomb爆発イメージングを実用的手段として確立すること。
• 実験的データとab initioシミュレーションを統合した手法により、フランにおけるリング開口の存在とその時間スケールを検証すること。

提案手法

• フェムト秒近赤外レーザーパルスを用いて、フラン分子をイオン化・断片化する時間分解Coulomb爆発イメージング（TR-CXI）を用いる。
• 超短パルスを用いて反応を誘発し、時間遅れを変化させながら分子構造をプローブする。
• 励起状態ポテンシャルエネルギー面および核軌道をモデル化するためにab initio分子動力学（AIMD）シミュレーションを適用する。
• シミュレートされた核配置に基づいてCoulomb爆発シミュレーションを実施し、断片イオンの運動量分布を予測する。
• 実験的運動量分布とシミュレートされた分布を比較して、時間発展する分子構造を再構成する。
• 198 nm紫外パルスでフランを励起し、近赤外パルスでCoulomb爆発を誘発するポンプ・プローブ設定を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 198 nm励起後のフェムト秒スケールで、フランにおける支配的構造的進化経路は何か？
• RQ2 ab initioシミュレーションで予測された運動量分布と、実験的Coulomb断片の運動量分布はどのように比較されるか？
• RQ3 時間分解Coulomb爆発イメージングは、原子分解能でフランの超高速リング開口ダイナミクスを解明できるか？
• RQ4 リング開口プロセスの時間スケールは何か？ また、過去の理論的および実験的報告と比較するとどうなるか？
• RQ5 観察されたダイナミクスは、非断熱ダイナミクスシミュレーションの予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 198 nm励起後100 fs以内に、支配的となる超高速リング開口経路が観測された。
• 実験的Coulomb爆発データはab initio分子動力学シミュレーションと良好に一致しており、構造的進化経路が確認された。
• リング開口プロセスが主な非励起経路であると判明し、これまでの文献上の矛盾が解消された。
• 本研究では、時間分解Coulomb爆発イメージングが化学反応中の核運動を原子スケールで解像可能であることを示した。
• 100 fsにおける再構成された分子構造は、特にC-OおよびC-C結合において、リング開口に一致する顕著な結合長変化を示した。
• 実験的TR-CXIとab initioシミュレーションの組み合わせにより、フランにおける超高速リング開口機構に明確な証拠が得られた。