[論文レビュー] Photoelectron spectroscopy of coronene molecules embedded in helium nanodroplets

Ltaief Ben Ltaief, M. Shcherbinin+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 50被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ヘリウムの超流動ナノドロイドに埋め込まれたカーボン分子の初の1光子極端紫外線光電子分光法（UPS）を報告する。21 eV未満のシンクロトロン放射線を用いることでヘリウムの電離を抑制した。測定されたPESは固体相のカーボンに類似しており、主にドロイド内のCorクラスターからの光電離が支配的であることを示唆している。一方、ペニング電離スペクトルは環境の摂動によって著しく広がっており、強い影響を受けていることが明らかになった。

ABSTRACT

We present the first measurement of a one-photon extreme-ultraviolet photoelectron spectrum (PES) of molecules embedded in superfluid helium nanodroplets. The PES of coronene is compared to gas phase and the solid phase PES, and to electron spectra of embedded coronene generated by charge transfer and Penning ionization through ionized or excited helium. The resemblence of the He-droplet PES to the one of the solid phase indicates that mostly Cor clusters are photoionized. In contrast, the He-droplet Penning-ionization electron spectrum is nearly structureless, indicating strong perturbation of the ionization process by the He droplet. These results pave the way to extreme ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) of clusters and molecular complexes embedded in helium nanodroplets.

研究の動機と目的

• 極端紫外線放射を用いて、超流動ヘリウムナノドロイド中の分子ドーパントの直接1光子光電子分光スペクトルを測定すること。
• ヘリウムの電離閾値（21 eV）未満の光子エネルギーに調節することで、間接的電離過程（電荷移動およびペニング電離）を最小限に抑えること。
• 埋め込まれたカーボンの光電子分光スペクトルを気相および固体相のカーボンと比較し、構造的および電子的洞察を得ること。
• ヘリウムナノドロイド環境が、埋め込まれたカーボン分子の電離ダイナミクスおよびスペクトル線幅に与える影響を調査すること。
• 将来のヘリウムドロイド隔離法を用いた分子複合体およびクラスターのUPS研究の基盤を確立すること。

提案手法

• イタリア・トリエステのElettra-Sincrotrone TriesteのCiPoビームラインで、速度マップイメージング光電子・光イオン一致法（VMI-PEPICO）を用いた検出を実施した。
• 高いスペクトル分解能を達成し、高次放射を抑制するために、2400 l/mmのゴールド被膜を施した垂直入射モノクロメーターを用いた。
• 高純度ヘリウムガス（50 bar）を14 Kのノズルを通じて膨張させることでヘリウムナノドロイドを生成し、平均サイズは約23,000個のヘリウム原子を有した。
• 加熱された蒸気セル（150 °C）を通過させることでドロイドにカーボン分子をドーピングし、1分子の取り込み確率は約37%となった。
• 光子エネルギー18.5、21.6、26 eVで光電子分光測定を実施し、エネルギー分解能ΔE/E = 6%を達成した。
• 電子像のアベル逆変換を用いて運動エネルギー分布を再構築し、光電子分光スペクトルを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超流動ヘリウムナノドロイド中のカーボンの光電子分光スペクトルは、気相および固体相のそれと比べてどのように異なるか？
• RQ2 ヘリウムの電離閾値（21 eV）未満の光子エネルギーを用いた場合、カーボン分子の直接的光電離がどの程度観測可能か？
• RQ3 電荷移動およびペニング電離を含む間接的電離プロセスが、ヘリウムドロイド環境下でスペクトル特徴にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ヘリウムナノドロイドが、埋め込まれたカーボン分子の電離ダイナミクスに果たす役割は何か？
• RQ5 過剰なバックグラウンド電離が生じないよう、ヘリウムドロイド中の分子ドーパントに対して1光子極端紫外線光電子分光法を効果的に適用できるか？

主な発見

• ヘリウムナノドロイド中のカーボンの1光子光電子分光スペクトルは、固体相カーボンに類似しており、主に孤立分子ではなくCorクラスターからの光電離が支配的であることを示している。
• 18.5 eVでは、固体カーボンの電子構造に整合する解像度の高い特徴が観測され、電離プロセスへの摂動が最小限であることが確認された。
• 励起ヘリウムを介した間接的電離により生成されたペニング電離電子スペクトルは、ほぼ構造のない形状であり、著しく広がっており、電離ダイナミクスに対する環境の摂動が強いことが示された。
• カーボンの高い吸収断面積（18.5 eVで約500 Mbarn）のおかげで、低光子エネルギーでも効率的な直接電離が可能となり、間接プロセスの抑制が達成された。
• 固体相に類似したスペクトルは、カーボン分子がヘリウムドロイド内にクラスターを形成していることを示唆しており、光電離の主なプローブ対象はそれらのクラスターである。
• 本研究により、ヘリウムナノドロイド中の分子複合体の極端紫外線光電子分光法の実用的道筋が確立された。間接電離およびスペクトルの広がりという課題を克服した。