RIKEN从成功在在22飞秒(1飞秒相当于一千万亿分之一秒),即以世界最高时间分辨率捕捉到光化学过程中高速变化的分子内电子状态。此项成果是由RIKEN基干研究所铃木化学反应研究室基础科学特别研究员堀尾琢哉、藤贵夫研究员、铃木喜一客座研究员、铃木俊法主任研究员等合作研究获得的。
分子吸收紫外线后处于高能量的电子状态从而发生光化学反应。就身边的例子而言,比如印刷品见光后墨退色就是光化学反应的结果。另外,在掌控视觉的视紫红质蛋白质吸收可见光后视网膜分子的双重结合发生旋转,发挥检测进入眼睛的光信号的作用。此外,如同DNA碱基一样,发挥生命设计图功能,向后人正确传递基因信息分子,即使吸收紫外光也不允许被破坏,必须继续稳定存在。为此,这些分子吸收的光能迅速转化为热能,在废弃过程中(内部转化)照常运转。发生高速内部转换,需要高能电子潜力与低能电子潜力交替,引发分子由高电子状态转换到低电子状态的反应。我们知道这种转换在电子潜力达到漏斗形状时效率最高,通常被称作圆锥相交。经过这个圆锥相交的内部转换对在30飞秒以内发生的超高速过程的多原子分子高能量转换是非常重要的反应过程。
研究组为观测分子内化学反应把显示超高速内部转化的代表分子,即吡嗪(C4H4N2)平面型芳香族分子作为目标。虽然迄今为止对于吡嗪分子进行过很多理论研究,但是实际进行实时的化学反应仍是非常困难的。研究组运用独自开发出的超短脉冲光源与光电子画像观测装置,使反应过程中的吡嗪分子随时释放出电子,使得这种散在分布可视化。伴随吡嗪分子的内部转换(电子状态变化),在世界上首次捕捉到被释放出来的电子(光电子)的释放角度分布情况,并在实验中成功观测到内部转换。同时,内部转换检测中对在分子内电子独立运动情况不发生的“non-Koopmans型过程”的电离过程进行观测是十分重要的发现。此项研究是作为日本科学技术振兴机构促进战略创造研究事业团队型研究(CREST)的研究领域中“运用先端光源融合开展光科学、光技术”项目中的“真空紫外、深紫外丝状超短脉冲光源的超高速电子分光”课题(研究代表人 铃木俊法)的一个环节开展的。
研究成果刊登在美国化学学会杂志《Journal of the American Chemical Society》上,同时刊登在7月11日网络版。