日本高能加速器研究機構（KEK）、東京大學、立命館大學、千葉大學、京都大學、量子科學技術研究開發機構（QST）、理化學研究所（理研）、高亮度光科學研究中心（JASRI）組成的聯合研究小組于2016年12月12日宣布，利用飛秒X射線光電子衍射法，成功確定了紅外脈沖強激光電場中的碘分子的結構。
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| 利用YAG激光電場時的分子排列控制 YAG激光關閉時碘分子朝向各種方向（上）。YAG激光打開時碘分子的方向沿著電場方向統一，并且碘分子的原子間距伸長（下）（摘自KEK的新聞發布資料，下同） （點擊放大） |
光電子衍射裝置的概念圖 利用與脈沖YAG激光同步的XFEL脈沖使光子電從碘分子釋放出來后，分子鍵被切斷，作為碘離子分離出來。使用上部的檢測器觀測光電子的二維衍射像，使用下部的檢測器觀測分離離子的二維圖像 （點擊放大） |
對于朝向隨機方向的氣相分子，光電子釋放方向的信息容易在分子的方向上平均化，無法獲得光電子衍射像。因此，此次在實驗中向氣相的碘分子（I2）照射了YAG激光，利用該激光的電場統一了I2的方向。之后，照射了在時間及空間上完全與YAG激光重疊的XFEL脈沖，檢測了從I2內的碘原子（I）釋放出來的I 2p軌道的X射線光電子衍射像。
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| 光電子衍射像的實驗與理論的比較 （a）光電子衍射像的實驗值與理論值的殘差通過將原子間距與平衡構造的偏離作為x軸、將離子化能與實際值的差值作為y軸來表現。在區域A，殘差最小，在區域B，殘差最大。（b）光電子衍射像的角度分布。直線表示實驗結果，紅線表示區域A的理論結果，藍線表示區域B的理論結果，兩端的箭頭表示YAG激光及XFEL的偏光矢量（電場方向）方向 （點擊放大） |
為了確立YAG激光電場中的I2的結構（原子間距），研究小組將所測定的光電子衍射像與將I 2p軌道的離子化能和原子間距為參量的光電子衍射理論的計算結果做了比較。然后以二維圖來表現實驗結果與理論結果之差，結果表明，YAG激光電場中的I2的原子間距在激光電場作用下鍵合變弱，因此與平衡構造的I2的原子間距相比伸長了10％，也就是0.2～0.3埃（10-10m）。
雖然此次使用的是紅外脈沖YAG激光，但通過導入激發光化學反應的泵浦用短脈沖激光，便有望使超高速光化學反應實現可視化。該成果使光化學反應在時間空間上終極可視化的“分子電影（Molecular Movie）朝著實現的方向前進了一大步。今后研究小組的目標是利用飛秒X射線光電子衍射法來查明超高速分子光化學反應的動力學，探索反應控制方法。
此次研究成果已發表在在線科學雜志《科學報告》（Scientific Reports）2016年12月9日刊。（特約撰稿人：工藤 宗介）
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