特集03

世界唯一の光源で光化学反応を研究
Photochemical reactions investigated by the one and only light source in the world

私たちを取り囲む自然は一つ 自分の興味に従ってわが道を進もう 応用物理学部門 極限量子光学研究室 准教授 関川 太郎

[PROFILE]
○研究分野/量子エレクトロニクス、化学物理
○研究テーマ/高次高調波の物理、光化学反応ダイナミクス
○研究室ホームページ
 http://www.facebook.com/SEKIKAWA.lab

Taro Sekikawa : Associate Professor
Laboratory of Ultrafast Quantum Optics
Division of Applied Physics
○Research field : Quantum Electronics, Chemical Physics
○Research theme : High harmonic generation, Photochemical reaction dynamics
○Laboratory HP :
 http://www.facebook.com/SEKIKAWA.lab

アインシュタインが説明する
光電効果を新素材開発に応用

 物質は、電子が接着剤の役割を果たす化学結合により原子同士を結んで、かたちづくられています。化学結合中の電子の状態を調べる方法の一つとして、光電効果を利用した光電子分光があります。光電効果は物質に波長の短い光を照射すると電子が物質から放出される現象で、アインシュタインにより説明されました。アインシュタインはこの業績により(相対論ではない!)ノーベル賞を受賞しています。
 光電子分光に時間幅が短い光(ストロボ光)を使うと、その時間幅内での電子の状態を調べることができます。ストロボ光で物質を励起(刺激)することにより、化学反応を時々刻々観測することが可能になります(時間分解光電子分光)。例えば、太陽電池の電荷分離による発電・放電過程を観測すると、機構の解明や、より効率が高い太陽電池の開発への応用も期待できます。我々は、レーザーを使って刻々と変わっていく分子軌道を観測する装置(図1a)を開発し、応用研究を行っています。

図1 図1 (a)開発した時間分解光電子分光システム
  (b)真空中に吹き出した希ガスにレーザー光を集  光し高次高調波を発生する Figure1:(a)Developed system for time-resolved photoelectron spectroscopy.
    (b)High harmonic generation by focusing the laser beam into gas jet in vacuum.

高次高調波の実用化を先取り
100フェムト秒の変化を観測

 我々が用いるストロボ光の時間幅は10フェムト秒(1フェムト秒=1000兆分の1秒)で、物質中の原子が振動する周期よりも短い時間です。真空中に噴出するガスに近赤外レーザー光を集光することで発生する高次高調波(図1b)をストロボ光として利用しています。高次高調波を光電子分光に利用するためには特殊な光学系が必要であり、我々は世界に先駆けてその開発・実用化にこぎつけました。
 例えば、ブタジエンという分子は、植物が光エネルギーを集めるアンテナと同じ構造をした分子です。もともと平面構造ですが、光で刺激すると100フェムト秒以内にねじれて戻ることが、本学大学院の理学研究院化学部門の武次徹也教授グループとの共同研究で分かってきました(図2a、2b)。今後はこうした研究をより大きい分子や固体に適用し、新素材の開発にチャレンジします。物理や化学という分類は、人間が勝手に分けたもので、自然は一つだと思います。分類に縛られず興味に従って勉強すると、面白いことに遭遇するかもしれません。

図2 図2 (a)測定からわかる1,3─ブタジエンのコマ撮り  構造変化
  (b)1,2─ブタジエンの分子振動の様子 Figure2:(a)Structural change of 1,3-butadiene displayed frame-by-frame.
    (b)Real time observation of molecular oscillation of 1,2-butadiene.

technical term
高次高調波 超短パルスレーザーを照射された原子・分子の電子が振幅の大きい光の波に揺られることで発生する波長の短い光。