平成２７年７月３１日
东北大学多元物质科学研究所
京都大学大学院理学研究科
広岛大学
理化学研究所
高辉度光科学研究センター
超强力Ｘ线诱起电子分子ダイナミクスを解明！
Ｘ线自由电子レーザーを利用したイメージングに重要なメッセージ
东北大学多元物质科学研究所上田潔教授?福澤宏宣助教のグループ、京都大学大学院理学研究科八尾誠教授?永谷清信助教のグループ、広岛大学大学院理学研究科和田真一助教、理化学研究所放射光科学総合研究センターXFEL研究開発部門ビームライン研究開発グループ矢橋牧名グループディレクター及び高辉度光科学研究センターXFEL利用研究推進室先端光源利用研究グループ実験技術開発チーム登野健介チームリーダー等による合同研究チームは、重原子（ヨウ素原子）を含む炭化水素分子にＸ线自由电子レーザー(XFEL)＊1施設SACLA＊2から供給される非常に強力なＸ線を照射すると、わずか10フェムト秒（１フェムト秒は千兆分の１秒）のＸ線パルス幅（照射時間）の間に、分子が変形することを見出しました。重原子を含む分子は、Ｘ線を吸収すると次々に電子を放出します。この過程を繰り返して急激に多価イオン＊3となることで、分子を構成するイオン化した原子がバラバラに飛び散ります。実験で測定した各原子の運動量の相関を、モデル計算により再現することで、10フェムト秒のＸ線パルス幅の間に、分子は水素イオンを放出し、重原子と炭素原子との間の距離も10%ほど伸びることが分かりました。
XFELの非常に強力なＸ線パルスを用いると、非常に小さな結晶や結晶化していない試料からでも１発のＸ線パルスでＸ線散乱を計測できるため、これまで構造が決定できなかった様々な物質や反応途中の物質の構造が決定できると期待されています。特に、タンパク質分子の新規構造決定では、重原子が注目されています。例えば、光触媒反応では重金属原子が重要な役割を担います。本研究で、重原子を含む分子にSACLAの強力Ｘ線パルスを照射すると、10 フェムト秒のＸ線照射時間内に分子が多くの電子を失って分子の形も変化することが見出されたことは、Ｘ線散乱の解析においても、この現象を、モデル計算等を用いて考慮する必要があることを示しています。
本研究の成果は、米国の科学雑誌『The Journal Physical Chemistry Letters』で、出版に先立ちオンライン掲載されました。
本研究は、合同研究チームの上田を代表とする文部科学省 Ｘ线自由电子レーザー利用推進研究課題、 理化学研究所SACLA利用装置提案課題、文部科学省 Ｘ线自由电子レーザー重点戦略研究課題の各事業の一環として行われました。
齿贵贰尝の诞生により、Ｘ线领域でレーザー光が利用できるようになりました。齿贵贰尝施设は世界でも2カ所でしか稼働しておらず、日本の齿贵贰尝施设厂础颁尝础を利用した研究は世界中の研究者により活発に进められています。齿贵贰尝を利用することで、これまで见ることが出来なかった、超高速?超微细な现象を见ることが出来ると期待されています。これを実现するためには、齿贵贰尝のような超强力Ｘ线を物质に照射した时に、物质そのものに何が起こるのかを理解することが重要です。しかし、このような超强力Ｘ线と物质との相互作用はこれまで研究されていませんでした。特に、分子の中に重原子が含まれる场合の相互作用は重要です。例えば、タンパク质分子の新规构造を决定する际、タンパク质に重原子を导入して重原子によるＸ线の异常散乱を観测することは常套手段となっています。また、人工光合成のような光触媒反応でも金属错体分子が重要な役割を担っています。本研究では、重原子を含む分子のモデル分子としてメタン分子の中の水素原子1个をヨウ素原子に置き换えたヨウ化メチル分子を用いました。この分子が齿贵贰尝照射によりどのような応答を示すかを调べることで、超强力Ｘ线と重原子を含む分子との相互作用の结果引き起こされる反応素过程を解明することに成功しました。
Ｘ線をヨウ素原子に照射すると、ヨウ素原子の深い（エネルギーが高い）内殻轨道＊4から電子が放出されて、ヨウ素原子はエネルギーが高く不安定な原子イオンになります。この不安定な原子イオンは比較的浅い（エネルギーが低い）軌道の電子を次々に放出することで安定化し、多価原子イオンになります。SACLAの非常に強力なＸ線パルスを照射すると、このような過程が10 フェムト秒のＸ線照射時間の間に複数回起こり、非常に多価のイオンが生成します。ヨウ素原子が分子の中に含まれる場合でも、Ｘ線を照射すると分子中のヨウ素原子は同様に非常に多価のイオンとなり、正の電荷は速やかに分子全体に再配分されます。電荷が再配分されると、それぞれの原子が電荷をもつため、原子イオン間のクーロン反発力によって、分子はバラバラになって飛び散っていきます。この現象はクーロン爆発と呼ばれています（図１）。
図1. 分子がＸ線を吸収して、クーロン爆発に至る概念図
本研究では、ヨウ化メチル分子を真空中に導入して、SACLA BL3で得られる超強力Ｘ線パルスを照射し、放出される原子イオンの3次元運動量を測定しました。１個の分子から放出される原子イオン同士は運動量保存則を満たすことを用いて、1個のヨウ化メチル分子から生成するヨウ素原子多価イオンと炭素原子多価イオンの運動量の相関を観測することに成功しました(図２)。
図2. ヨウ素原子イオンと炭素原子イオンの運動量相関：実験（記号）と計算（実線）。
ヨウ素原子サイトの電荷上昇時間と分子全体への電荷移動時間を考慮したモデル計算は実験結果をよく再現する。（当該論文から許可を得て改編して転載。Copyright 2015 American Chemical Society.）
また、モデル计算を用いてこの运动量相関の観测结果を再现したところ、ヨウ素原子サイトの电荷上昇に要する时间は约9フェムト秒であるのに対して电荷が分子全体に広がるのに要する时间は约3フェムト秒であること、さらに、わずか10フェムト秒のＸ线照射时间の间に炭素原子イオンと水素原子イオンとの距离は3倍に広がること、炭素原子イオンとヨウ素电子イオンの距离も10%程度は変化することが见出されました。
今回の研究は、SACLAの強力なＸ線パルスを、重原子を含む分子に照射すると、10 フェムト秒のX線照射時間内に、分子が多くの電子を失い、結合長も変化することを示すものです。これは、SACLAの強力なＸ線パルスを用いた物質の構造解析を行う場合、重原子周りで引き起こされる反応素過程を正確に知り、考慮した上で解析を行うことが必要不可欠であることを示しています。超強力Ｘ線と物質との相互作用に関する問題をひとつひとつ解決していって初めて、SACLAを用いて、これまで見えなかった超微細?超高速な現象を見ることも可能になると期待されます。
＊1 Ｘ线自由电子レーザー（XFEL：X-ray Free-Electron Laser）
Ｘ線領域で発振する自由電子レーザー（Free-Electron Laser)であり、可干渉性、短いパルス幅、高いピーク輝度を持つ。自由電子レーザーは、物質中で発光する通常のレーザーと異なり、物質からはぎ取られた自由な電子を加速器の中で光速近くに加速し、周期的な磁場の中で運動させることにより、レーザー発振を行う。
＊2 SACLA
理化学研究所と高辉度光科学研究センターが共同で建設した日本で初めてのXFEL施設。科学技術基本計画における5つの国家基幹技術の1つとして位置付けられ、2006年度から5年間の計画で整備を進めた。2011年3月に施設が完成し、SPring-8 Angstrom Compact free electron LAserの頭文字を取ってSACLAと命名された。諸外国で稼働中あるいは建設中のXFEL施設と比べて数分の一というコンパクトな施設の規模にも関わらず、 0.1ナノメートル以下という世界最短波長のレーザーの生成能力を有する。
＊3 多価イオン
多くの电子が剥ぎ取られた原子や分子。
＊4 内殻轨道
原子や分子中の電子は電子軌道に収容されている。原子の外側にある浅い軌道に収容された（ゆるく束縛された）電子は分子を構成する際に分子の結合を担うのに対して、原子の内側にあって分子結合を担うことのない高いエネルギーで束縛された電子の軌道を内殻轨道と呼ぶ。重原子の場合、束縛エネルギーの異なった内殻轨道が複数あり、束縛エネルギーが比較的高い軌道を深い内殻轨道、束縛エネルギーの比較的低い軌道を浅い内殻轨道と呼ぶ。重原子がＸ線を吸収すると深い内殻轨道にある電子が放出される。
雑誌名：The journal of Physical Chemistry Letters
论文タイトル：Charge and Nuclear Dynamics Induced by Deep Inner-Shell Multiphoton Ionization of CH3I Molecules by Intense X-ray Free-Electron Laser Pulses
着者名：Koji Motomura, Edwin Kukk, Hironobu Fukuzawa, Shin-ichi Wada, Kiyonobu Nagaya, Satoshi Ohmura, Subhendu Mondal, Tetsuya Tachibana, Yuta Ito, Ryosuke Koga, Tsukasa Sakai, Kenji Matsunami, Artem Rudenko, Christophe Nicolas, Xiao-Jing Liu, Catalin Miron, Yizhu Zhang, Yuhai Jiang, Jianhui Chen, Mailam Anand, Dong Eon Kim, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Makoto Yao, Kiyoshi Ueda
顿翱滨番号：10.1021/补肠蝉.箩辫肠濒别迟迟.5产01205
东北大学多元物质科学研究所
教授 上田 潔 （うえだ きよし）
電話 022-217-5381
E-mail ueda＠tagen.tohoku.ac.jp（＠は半角に置き換えてください）
京都大学大学院理学研究科
教授 八尾 誠 （やお まこと）
電話 075-753-3774
E-mail yao＠scphys.kyoto-u.ac.jp（＠は半角に置き換えてください）
広岛大学大学院理学研究科
助教 和田 真一 （わだ しんいち）
電話 082-424-7401
E-mail swada＠sci.hiroshima-u.ac.jp（＠は半角に置き換えてください）
理化学研究所 広報室 報道担当
電話 048-467-9272
E-mail ex-press＠riken.jp（＠は半角に置き換えてください）
高辉度光科学研究センター 普及啓発課
電話 0791-58-2785
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