[논문 리뷰] 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 Savelyev외 33명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 FLASH에서 파ulses를 사용하여 초단파장 XUV 쿨롱 폭발 영상 기술을 적용하여 CH₃I 및 C₆H₃F₂I에서 초고속 광분해 동역학을 탐구한다. 이로써 CH₃I에서 이소인의 내부 껍질 이온화의 위치 선택적 특성을 규명하고, 메틸/페닐 기능기에서 다중 이온화된 이소인으로의 전하 이동을 관찰하였다. 결과는 전하 국소화와 전자 재배열에 대한 시간 해상도 감도를 보여주며, 더 복잡한 분자의 경우 느린 분해 속도로 인해 더 느린 동역학을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• CH₃I 및 C₆H₃F₂I에서 C–I 결합 분해 이후 초고속 분자 동역학을 시간 해상도를 갖춘 쿨롱 폭발 영상 기술을 사용하여 조사한다.
• 분해되는 분자에서 XUV 탐측 흡수 및 이온화 선택성에 영향을 미치는 분자 환경의 영향을 검토한다.
• 다원자 광분해 조각에서 전하 이동 및 전자 재배열 동역학을 100 fs 이내의 시간 해상도로 탐색한다.
• 확장된 분자 체계에서 전하 국소화에 대한 위치 선택적 XUV 이온화 감도를 평가한다.
• 분자 구조의 영향을 쿨롱 폭발 이후 전자 재조직화의 시간 스케일과 비교한다.

제안 방법

• 강력한 피코초 XUV 펄스를 이용하여 시간 해상도를 갖춘 쿨롱 폭발 영상 기술을 수행한다. 이 펄스는 FLASH 자유전자 레이저에서 유래한다.
• 267 nm UV 펄스로 C–I 결합 분해를 유도하고, 지연된 XUV 펄스로 쿨롱 폭발을 유도하는 펌프-프로브 방법을 사용한다.
• 분해되는 분자에서 이소인 조각을 선택적으로 탐측하기 위해 이소인 원자의 위치 선택적 내부 껍질 이온화를 적용한다.
• 시간 간격에 따라 조각 이온의 운동량을 시간 간격 질량 분석기로 측정하여 다양한 지연 시간에서 분자의 기하학적 구조와 전하 상태를 재구성한다.
• 이온-이온 동시성과 공분산 패턴을 분석하여 전자 동역학 및 전하 이동 과정을 추론한다.
• CH₃I(단순한 메틸기)와 C₆H₃F₂I(페닐 고리)의 결과를 비교하여 분자의 기하학적 구조가 전자 동역학에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CH₃I 및 C₆H₃F₂I에서 이소인의 위치 선택적 XUV 이온화는 광분해 조각의 탐측 및 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 C–I 결합 분해 이후 유기 부분에서 다중 이온화된 이소인 이온으로의 전자 이동 시간 스케일은 얼마인가?
• RQ3 분자 환경(메틸기 대비 페닐기)은 광분해 조각에서 전하 재배열 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 XUV 탐측 흡수의 이소인 원자에 대한 국소화 정도는 어느 정도이며, 이는 쿨롱 폭발 데이터 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시간 해상도를 갖춘 쿨롱 폭발 영상 기술은 100 fs 이내의 해상도로 다원자 체계에서 초고속 전자 동역학을 해소할 수 있는가?

주요 결과

• CH₃I에서는 XUV 탐측 펄스가 선택적 흡수 덕분에 이소인 원자에서만 국소 내부 껍질 이온화를 유도하여 위치 특이적 탐측이 가능하다.
• C₆H₃F₂I에서는 XUV 흡수가 덜 선택적이며, 여러 조각을 이온화하여 광분해 조각의 동역학을 더 넓게 탐측할 수 있다.
• CH₃I와 C₆H₃F₂I 양쪽 모두에서 메틸기 및 페닐기에서 다중 이온화된 이소인 이온으로의 전자 이동 증거를 관찰하였다.
• CH₃I보다 C₆H₃F₂I에서 전자 재배열 시간 스케일이 더 느리며, 이는 페닐 라디칼 조각의 분해 속도가 더 느리기 때문으로 기인된다.
• 페닐 라디칼에서 초고속 전하 재배열이 관찰되어 시간 해상도를 갖춘 CEI가 확장된 π-공명 체계에서 전하 국소화에 민감함을 보였다.
• 결과적으로 XUV 유도 쿨롱 폭발 영상 기술이 X선 CEI보다 짧은 원자 간격에서 분자의 오비탈에 더 높은 감도를 보임을 입증하였으며, 전자 구조 변화의 세밀한 탐측이 가능하다.