フェムト秒パルスとプラズモニクスの融合による超高速分光・コヒーレント制御

结合飞秒脉冲和等离子体激元的超快光谱和相干控制

基本信息

批准号：
18J11212
负责人：
森近一貴
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

【目的】本研究の目的は，時間・空間の両面で制御された赤外フェムト秒パルス電場を利用した，分子化学反応の制御およびそのダイナミクス計測手法の創出である．本研究では，波形整形した赤外フェムト秒パルスを局在表面プラズモン共鳴によりナノ空間に閉じ込め，分子と強く相互作用させることで，振動励起による結合解離反応の誘起・観測を目指した．【振動励起による解離反応の制御】対象分子の吸収帯域で顕著な電場増強効果を示す金ナノアンテナアレイ構造を電子線描画プロセスにより作製し，走査型電子顕微鏡およびFTIR分光測定により評価した．作製した金ナノ構造上に金属カルボニル錯体分子の液体薄膜試料を形成し，赤外ポンプ・プローブ分光実験を行った．金ナノ構造のプラズモン電場増強効果，およびポンプ光パルスへの負の二次分散の付与により励起効率が飛躍的に向上し，第6振動励起状態への強励起を実現した．さらには，高振動励起にともなう結合解離反応の誘起・観測に成功し，密度汎関数理論に基づく理論計算から解離生成物が金ナノ構造表面に吸着していることが示唆された．【数値計算による実験結果の定量評価】FDTD法による電磁場解析および量子リウヴィル方程式に基づく振動励起ダイナミクスの数値計算を行った．金ナノ構造を介した光-分子相互作用を結合振動子モデルにより定式化し，数値計算で得られた結果を取り入れることで，実験結果を定量的に説明することに成功した．【本成果の意義】赤外フェムト秒パルスによる分子の解離反応制御は，「結合選択的」な化学反応制御手法として古くから試みられてきたが，凝縮相分子に対しては低い励起効率ゆえに未だ実現されていなかった．本研究では，プラズモン電場増強効果および赤外パルス電場の波形整形を駆使して光-分子相互作用を増幅することで，凝縮相における振動励起による解離反応の誘起・観測に初めて成功した．

[目的]本研究的目的是创建一种利用时间和空间受控的红外飞秒脉冲电场来控制分子化学反应并测量其动力学的方法。在这项研究中，我们的目的是通过局域表面等离子体共振将波形形状的红外飞秒脉冲限制在纳米空间中，并使其与分子发生强烈相互作用，从而通过振动激发来诱导和观察键解离反应。 [通过振动激发控制解离反应] 采用电子束写入工艺制造了在目标分子的吸收带中表现出显着电场增强效应的金纳米天线阵列结构，并使用扫描电子显微镜和FTIR光谱进行了评估。在制备的金纳米结构上形成金属羰基络合物分子的液体薄膜样品，并进行红外泵浦探针光谱实验。通过金纳米结构的等离激元电场增强效应以及在泵浦光脉冲中加入负二阶色散，激发效率得到显着提高，实现了对第六振动激发态的强激发。此外，我们成功诱导并观察到伴随高振动激发的键解离反应，基于密度泛函理论的理论计算表明解离产物吸附在金纳米结构的表面。 [通过数值计算对实验结果进行定量评估] 我们使用FDTD方法进行了电磁场分析，并基于量子刘维尔方程进行了振动激励动力学的数值计算。通过使用耦合振荡器模型公式化由金纳米结构介导的光-分子相互作用，并结合数值计算获得的结果，我们成功地定量解释了实验结果。 [该结果的意义] 使用红外飞秒脉冲的分子解离反应控制作为一种“键选择性”化学反应控制方法已经被尝试了很长时间，但由于激发效率低，仍然难以用于凝聚相分子。但这一点还没有被意识到。在这项研究中，我们充分利用等离子体激元电场增强效应和红外脉冲的波形整形，通过放大光-分子相互作用，首次成功地诱导并观察了凝聚相中振动激发的解离反应。电场。