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]这项研究的目的是控制分子化学反应，并创建一种使用在时间和空间控制的红外飞秒脉冲电场来测量其动力学的方法。在这项研究中，我们的目的是通过局部表面等离子体共振，并与分子强烈相互作用，诱导和观察由振动激发引起的键解离反应。 [通过振动激发控制解离反应]使用电子束图工艺制造了靶分子吸收带中表现出明显的电场增强效应的金纳米烷阵列结构，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了金属羰基复合物分子的液体薄膜样品，并进行了红外泵和探针光谱。增强金纳米结构的等离子体电场以及添加负次级散布来泵送光脉冲的效果极大地提高了激发效率，从而在第六个振动激发态下实现了强烈的激发。此外，我们成功地诱导和观察了与高振动激发相关的键解反应，并且基于密度功能理论的理论计算表明，解离产物被吸附在金纳米结构的表面上。 [使用数值计算对实验结果的定量评估]使用FDTD方法和基于量子Liuville方程的振动激发动力学的数值计算进行了电磁场分析。通过使用键合振荡器模型通过金纳米结构制定光分子相互作用，并通过数值计算获得了结果，我们成功地解释了实验结果。 [该结果的重要性]使用红外飞秒脉冲控制分子解离反应长期以来一直是一种“结合选择性”的化学反应控制方法，但由于其对凝结相分子的兴奋效率低，因此尚未实现。这项研究成功地通过使用等离子体电场增强和红外脉冲电场的波形成形的效果来扩大光分子相互作用，从而成功地诱导和观察由凝结相振动反应引起的解离反应。