量子ビームと放射光

量子ビームがつくる放射光と

FEL

朝倉清高

物質を見る光

• 何が（定性分析）どのくらい（定量分析）どう

いう風に（状態分析、構造解析）存在する

か？

化学分析の基本命題

光と物質の相互作用

原子･分子の情報

物質 吸収 発光 散乱 構造、組成 組成 構造 物質 吸収 発光 散乱 構造、組成 組成 構造 粒子、電子-->状態、組成 光

分子を同定する。

NMR分光法

電波を当てて

核のスピンを反転させる

赤外線を当てて、分子の中の

振動を調べる。

IR分光法

物質構造を決めることが出来る

http://www.strategosinc.com/toyota_corporate_culture.htm RNA Plymerase http://www6.slac.stanford.edu/ExploringSLACScience.aspx?id=life http://www.nature.com/am/journal/2009/200903/full/am2009105a.html

CaCu3Ti4O12

CaCu3Ti4O12

http://sirius.cirse.nagoya-u.ac.jp/research/index.html http://preview.omicron.de/index2.html?/rom/highly_resolved_stm/index.html~Omicron

天体における分子の同定

光

分光学に使われる光の範囲とその光源

幅の広い光源がほしい。

光は電磁波

横波です．

光の発生

• 原子の発光

• 荷電粒子の加速度運動

• 黒体輻射

• 特殊な発生

– 放射光

大型加速器が必要

– レーザ

PFの航空写真

B factory

PF

LINAC

PFの外観図

PF の実験ステーション(BL2-4付近）

放射光の発生

磁場中を電子が光速で通り抜ける。内

側に加速度を受け曲がる

(ベンディン

グ）このとき、上記の原理で、加速度

を受けるため放射光を出す。

ベンディングマグネット 電流 磁場 _力

放射光の特性

• 1. 幅広いエネルギースペクトルを持つ

• 2. パルス性の光である。

• 3. 収束した光

• 4. 直線偏光を持つ

• 5．強力な光である。

放射光のスペクトル特性

• 放射光のスペクトル特性—幅が広い

収束した光

• 光速に近い速度で走る電子

/

1

2

1

/

1

/ c

v

放射光は直線偏光している。

• 光は横波である。電場と磁場が互いに進行方向に垂直に振動し ている。

放射光は電子の軌道面に平行に電場ベク トルが偏光している。

生命科学への応用

C型肝炎ウィルス(HCV)に関わる酵素の結晶構造

From(SPring8 home page)

• 抗HCV薬の開発<->ＨＣＶの増殖に必要な

RNAの増殖ーーこれを司る酵素（RNAポ

リメラーゼ ）をブロック

産出地別による亜ヒ酸の蛍光

_{X線スペクトル}

From SPring 8 Home page

もっと強い光を

-挿入光源

K<1 Case b Undulator 常に光が出る。 単色、可干渉 K＞＞１（case a) Wiggler 光は頂点に達したときに出る。 強く高エネルギーの光

更にもっともっと強い光を

自由電子レーザ

• アンジュレーターから発生する光は単色の干渉性の光と電子を 干渉させる。図4に示すように、アンジュレーターの両端に一対 の全反射鏡を配置して、放射光パルスがアンジュレ-ター内を何 回も往復するようにします。光パルスの往復とアンジュレ -夕-への電子の注入を同期させると、光パルスが二つの反射鏡の間 を往復する度に強度が増幅され、レーザー発振が生じます。

X線にはミラーがない．SASE

SACLA

SACLAにおけるポンプ-プローブXAFS

Experiments at SACLA

SPring-8

SACLA

~10 fs

~50 fs Sample: 4 mM WO_{pump laser: 520 mJ/cm}3 suspension2_{@15 Hz}

X-ray pulse width: 10 fs(FWHM) Time resolution: 500 fs

SACLAでの光励起したWO

₃

XANESスペクトル

peak C : e_g軌道への遷移付近の変化_{(~200 ps)} W L3 XANESスペクトルの3箇所で 顕著な変化が見られた. peak A : W5+_{の形成によるエッジシフト(< 1 ps)} peak B : 構造変化に起因する変化？ ▶SACLAの測定では、非常にS/Nの高い スペクトルが得られた。 ▶PF-ARで観測できなかった100 psの領 域で特徴的な変化が見られた。 29

WO

₃

の光励起過程のメカニズム

1

2

3

_h

_u

価電子帯

伝導帯

2.

3.

構造変化

基底状態への減衰過程

< 500 fs k = 0.007 ps-1 k = 0.00056 ps-1 30

問題

放射光とは何か