New avenue in high-resolution spectroscopy via visualization of molecular quantum states of motion

通过分子量子运动状态的可视化开辟高分辨率光谱学的新途径

基本信息

批准号：
22K18327
负责人：
大島康裕
金额：
$ 16.64万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

マイクロ波からテラヘルツ領域における高分解能分光は、分子構造の精密決定や構造異性化の解明にとって最有力な実験手法である。一方で、高感度な検出手法と組み合わせることが本質的に困難であったため、赤外～紫外領域の分光法と比較して大幅に不利な状況に留まっている。本研究は、輻射場と分子系とのエネルギーのやり取りを観測量としてきた従来の分光法とは全く異なり、分子の空間配向分布の時間変化からスペクトル情報を得る「量子波束イメージング分光」を開拓し、反応性が極めて高く極微量にしか生成できないため回転スペクトル測定が困難だった分子種の高分解能分光を展開する。研究初年度である本年度は、以下のさまざまな分子錯体の観測に成功した。１）アルゴン２量体：分子間相互作用で結合した錯体としてはもっともシンプルな系であり、極めて高精度の量子化学計算の対象となってきていた。従来の分光計測と比較して１ケタ以上高い精度で回転定数を決定し、計算との精密な比較を可能とした。２）メタン２量体：炭化水素に関する分子間相互作用を考える上での最も基本的なモデル系であるが、従来、分光学的研究例はなかった。錯体内でのメタン分子の内部回転に由来する極めて複雑なスペクトルを与えるが、ハンガリーの理論グループとの共同研究によって、ほぼ全てのピークの帰属に成功した。３）プロピレン２量体：C-C単結合とC＝C二重結合を有する最小分子の２量体であるが、分光学的研究例はなかった。実験的に最安定構造を決定した。４）エチレン２・３量体：従来の分光計測よりも高い精度で分光定数を決定した。また、２量体ばかりでなく３量体を観測できたことは、本手法の広範囲な適用性を示している。

微波至太赫兹范围内的高分辨率光谱是精确确定分子结构和阐明结构异构化的最强大的实验方法。另一方面，由于其本质上难以与高灵敏度检测方法相结合，因此与红外到紫外区域的光谱法相比，它仍然处于显着的劣势。这项研究与传统光谱学完全不同，传统光谱学利用辐射场和分子系统之间的能量交换作为可观测量，开创了“量子波包成像光谱学”，从空间的时间变化获取光谱信息。分子的取向分布，我们将开发分子物种的高分辨率光谱，这些分子物种由于其极高的反应性而难以测量，并且只能以极少量的方式生产。今年，即我们研究的第一年，我们成功观察到了以下各种分子复合物。 1）氩二聚体：这是由分子间相互作用结合的最简单的络合物系统，并且一直是极高精度量子化学计算的主题。旋转常数的确定精度比传统光谱测量高一个数量级以上，从而可以与计算进行精确比较。 2）甲烷二聚体：虽然它是考虑与碳氢化合物相关的分子间相互作用的最基本的模型系统，但迄今为止还没有对其进行光谱研究。由于复合物中甲烷分子的内部旋转，光谱极其复杂，但通过与匈牙利理论小组的联合研究，我们能够成功分配几乎所有的峰。 3）丙烯二聚体：这是最小的分子二聚体，具有C-C单键和C=C双键，但尚未对其进行光谱研究。最稳定的结构是通过实验确定的。 4) 乙烯二聚体和三聚体：光谱常数的测定精度高于传统光谱测量。此外，不仅可以观察到二聚体，还可以观察到三聚体，这一事实表明该方法具有广泛的适用性。