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

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。

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。