Unimolecular reaction control by ω-2ω intense laser pulses studied by ion momentum imaging

概要

学位報告４

別紙４
報 告 番

※

甲

第

号

号

主
論文題目

論

文

の

要

旨

Unimolecular reaction control by ω-2ω intense laser

pulses studied by ion momentum imaging
（イオン運動量画像計測を用いた ω-2ω 高強度レーザーパルスによる
単分子反応制御に関する研究）
氏

名

長谷川 景郁

論 文 内 容 の 要 旨
コヒーレント光による化学反応の制御は，物質の量子性を利用した高精度な反応制御や
新しい反応経路を開拓において重要なアプローチの一つである。超短強レーザーパルスを
集光して得られる強レーザー場は分子内のクーロン場に匹敵する電場強度をもち，光ドレ
スト状態の生成を介して，核間ポテンシャル曲面の変形が誘起される。レーザー電場波形
は分子や電子の運動とほぼ同じ時間スケールで制御できるため，これを利用した強レーザ
ー場反応制御の研究が進められている。コヒーレントな 2 色のレーザーパルスを重ね合わ
せて得られる ω-2ω 波形整形パルスはその非対称な電場振幅を特徴とする。空間非対称性を
利用することで分子内の等価な結合の選択的な切断が可能であることが示されてきたが，
その対象は直線分子に限定されていた。本論文は，ω-2ω 強レーザー反応制御の適用範囲の
拡張とそのメカニズムの解明に取り組み，Td 対称分子の結合切断制御が可能であることを
明らかするとともに，トンネルイオン化理論との比較からイオン化および解離ダイナミク
スの理解を深めた。さらに結合生成反応を含む異性化反応への制御が可能であることを明
らかにした。一方，これまで強レーザー場反応制御の研究は中性分子を対象に行われ，イ
オン化過程が介在した制御であるため，反応制御理論との厳密な比較が困難である。これ
を踏まえて，本研究ではイオン種を対象として ω-2ω 制御を実現し，中性種の場合とは異な
る制御性が現れることを明らかにした。
本論文は序論，実験および本論４章により構成される。
第１章では，超短強レーザーパルスを用いた分子ダイナミクス計測および制御について
概観し，研究背景を述べている。
第２章では，本論文で用いた３次元運動量画像計測装置および ω -2ω 強レーザーパルス

発生装置について述べている。
第３章では，ω-2ω 強レーザーパルスを用いた立体分子の結合切断コントロールについて
報告している。４つの等価な C-H 結合を有する Td 対称分子，CH4 の３次元イオン運動量画
像計測を行った。これにより，レーザー偏光方向に対して切断された分子結合の方向を特
定することができる。解離性イオン化過程（CH4+ → CH3+ + H, CH3 + H+）によって生成する
フラグメントイオンは，電場偏光に対して非対称な空間分布を示し，Td 対称分子に対して
も ω-2ω 反応制御が適用可能であることが明らかとなった。実験結果は弱電場漸近理論に基
づくトンネルイオン化レートの分子配向依存性とよい一致を示し，解離性イオン化過程に
おける制御機構はトンネル時の分子配向が重要であることが示唆された。また，クーロン
爆発過程（CH42+ → H+ + CH3+, H2+ + CH2+）について H+は解離運動エネルギーに依存した空
間分布を示し，複数の解離経路が存在し，異なるメカニズムによって制御されていること
が示唆された。また，Td 対称構造のとき電場の向きに対するイオン化レートは同等である
H2＋生成経路に関しても偏った空間分布が得られ，イオン状態のポテンシャル変形が関与し
ていることが示唆された。
第４章では，ω-2ω 強レーザー場における多原子分子トンネルイオン化ダイナミクスにつ
いて報告している。基底カチオン状態で解離ポテンシャルをもち，短い時間スケールで解
離する CF4 の解離性トンネルイオン化（CF4 → CF4+ + e- → CF3+ + F + e-）の CF3+の空間分
布を調べた。その結果，CF3+イオンは非対称な電場波形の小さい側に偏った分布を示した。
弱場漸近理論における最高被占有軌道（HOMO）と HOMO-1 を考慮したトンネルイオンレ
ートに基づいて解離生成物の放出角度分布計算を行ったところ，実験と逆位相を示した。
トンネルイオン化時の軌道混合の効果や，超高速解過程における電子状態結合の重要性が
明らかとなった。
第５章では，ω-2ω 強レーザー制御の結合形成過程への適用について報告している。アセ
トニトリル（CH3CN）のクーロン爆発（CH3CN2+ → (i) CH3+ + CN+, (ii) CH2+ + CNH+, (iii) CH+
+ CNH2+）についてイオンコインシデンス測定を行い，解離経路を選別したうえで解離生成
イオンの収量と空間分布を調べた。水素移動が伴う経路，(ii) および (iii)，の相対収量が２
色相対位相によって変化し，ω-2ω 強レーザーパルス波形によって異性化反応の制御が可能
であることが示された。
第６章では，ω-2ω 強レーザーパルスを用いた分子イオンの電子局在化制御について報告
した。イオン化パルスと制御パルスを，時間遅延をおいて順に H2 に照射し，生成した H+
の空間分布を調べた。生成した H+イオンの空間分布は，２色の相対位相によって変化し，
H2+の２つの H 原子のうちどちらに電子が局在化するかをコントロールできることが示さ
れた。中性分子を対象とした場合とは異なる位相依存性が見出され，イオンを始状態とす
ることで解離ダイナミクスの情報を得られることが示された。
以上，著者はイオン運動量画像計測に基づいて ω-2ω 強レーザー場を用いた反応制御につ
いて研究を行った。得られた成果は強レーザー場における反応制御の理解を深め，新たな
アプローチを提供する，超高速分子ダイナミクスのコヒーレントコントロールに貢献する
ものである。