Laser-induced optimal control of molecular photochemical reaction and simulation of the time-resolved X-ray diffraction patterns

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本研究の目的は、時間分解X線回折を利用したポンプ・プローブ法による化学反応中の分子構造の観測を念頭に、分子状態を初期する効果的な制御機構を、最適化シミュレーション法により解明することである。高いエネルギーの超短パルスX線を用いれば、反応に伴う分子構造の変化を時間分解X線回折像のスナップショットとして直接観測できる。しかし、繰り返し測定を行う際に試料分子の向きを揃えなければ、高い分解能で分子構造を追跡することは難しい。分子配向を特定の空間固定系に対して揃える整列制御には高強度の非共鳴パルス列の照射が有効であることが知られている。赤外レーザーパルスは整形技術が進んでおり、制御に十分な強度（～GV/m）のパルスを得ることが容易である。特にレーザーパルスを用いた直線分子の整列制御は既によく発達しており、分子軌道の測定などの応用実験が報告されている。しかし非直線分子の場合、三次元的に分子を整列させるのに最適な制御機構は、明らかになっていない。本研究では我々が開発した非共鳴の最適制御シミュレーション法を拡張し、高い整列度合いを実現するためのレーザーパルスを数値設計する。さらに整列ダイナミクスの観測法の１つとして時間分解X線回折に着目し、回折パターンと回転波束の関係をシミュレーションにより考察した。整列させる方向など複数の条件でシミュレーションを行った結果、２つ以上の相互に直交する直線偏光サブパルスの組み合わせが常に最適なレーザーパルスとして得られた。最適化されたパルス内の各サブパルスは回転励起を瞬間的に誘起し、効果的に回転波束を作成する。このシミュレーションで得られた回転波束を用いて時間分解X線回折像のシミュレーションを行ったところ、整列した分子にX線回折を適用することで各原子間の距離を明確に表した構造情報を得ることが示された。