ほぼ 1 世紀前、物理学者のマックス ボルンと J. ロバート オッペンハイマーは、量子力学が分子内でどのように作用するかについての仮説を提案しました。これらの分子は、原子核と電子の複雑な系で構成されています。ボルン・オッペンハイマー近似では、分子内の原子核と電子の運動は独立して発生し、別々に扱うことができると仮定しています。
このモデルはほとんどの場合に機能しますが、科学者たちはその限界をテストしています。最近、科学者チームは、この仮定が非常に速い時間スケールで破られることを実証し、原子核と電子の動力学の密接な関係を明らかにしました。この発見は、太陽エネルギー変換、エネルギー生産、量子情報科学などの分野の分子設計に影響を与える可能性がある。
米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所、ノースウェスタン大学、ノースカロライナ州立大学、ワシントン大学の科学者で構成される研究チームは、最近、NatureおよびAngewandte Chemie International Editionに2つの関連論文を発表した。
ネイチャー論文の筆頭著者でノースウェスタン大学の准研究員であるシャナワズ・ラフィク氏は、「私たちの研究は、分子内の電子スピン力学と原子核振動力学が超高速の時間スケールで相互作用していることを明らかにした」と述べた。 「これらの特性は独立して扱うことはできません。それらが混ざり合って電子のダイナミクスに複雑な影響を与えます。」
分子内の原子核の運動の変化が電子の運動に影響を与えると、スピン振動効果と呼ばれる現象が発生します。分子内の原子核が固有のエネルギーや光などの外部刺激によって振動すると、その振動は電子の動きに影響を与え、それによって分子のスピン、つまり磁気に関連する量子力学特性が変化します。
系間クロスオーバーと呼ばれるプロセスでは、励起された分子または原子は、電子スピンの方向を反転することによって電子状態を変化させます。系間クロスオーバーは、光起電装置、光触媒、さらには生物発光動物など、多くの化学プロセスにおいて重要な役割を果たしています。このクロスオーバーを達成するには、特定の条件と、関連する電子状態間のエネルギー差が必要です。
1960 年代以来、科学者たちはスピン振動効果が系間のクロスオーバーに役割を果たしている可能性があると理論立ててきましたが、電子状態、振動状態、スピン状態の変化を非常に速い時間スケールで測定する必要があるため、この現象を直接観察することは困難であることが判明しています。
「私たちは、原子核と電子の動きをリアルタイムで追跡するために、7フェムト秒、つまり10億分の7秒もの超短レーザーパルスを使用しました。これにより、スピン振動効果がどのように系間のクロスオーバーを引き起こすかを示しました」と、アルゴンヌ特別研究員でノースウェスタン大学の化学教授であり、両研究の共同執筆者でもあるリン・チェン氏は述べた。
スピン振動効果とシステム間のクロスオーバーの間の相互作用を理解することで、分子の電子特性とスピン特性を制御し活用する新しい方法を見つけることが可能になる可能性があります。
研究チームは、ノースカロライナ州立大学教授で両研究の共同責任著者であるフェリックス・カステラーノ氏が設計した4つのユニークな分子システムを研究した。各システムは他のシステムと似ていますが、制御可能な構造に既知の違いが含まれています。これにより研究チームは、システム間のわずかに異なるクロスオーバー効果と振動力学を利用して、2 つの関係をより完全に理解できるようになりました。
「これらのシステムで我々が設計した幾何学的変化により、相互作用する電子励起状態間のクロスオーバー点が、異なるエネルギーと条件でわずかに異なる変化を引き起こしました。これは、このクロスオーバーを強化するための材料の調整と設計に影響を与えます」とカステラーノ氏は述べています。
振動運動によって引き起こされる分子のスピン振動効果は、分子内のエネルギー分布を変化させ、システム間のクロスオーバーの確率と速度を増加させます。研究チームはまた、スピンオシレーター効果の作用から切り離せない重要な中間電子状態も発見した。
ワシントン大学の化学教授であり、エネルギー省太平洋岸北西部国立研究所の研究者でもあるXiaosong Li氏は、量子力学計算を通じてこれらの結果を予測し、裏付けた。 「これらの実験では、リアルタイムで非常に明確で美しい化学反応が示されました。これは私たちの予測と一致しました」とAngewandte Chemieの国際版に掲載された研究著者の1人であるLi Xiaosong氏は述べた。
実験によって明らかになった洞察は、この強力な量子力学的関係を使用した分子の設計における一歩前進を示しています。これは、太陽電池、より優れた電子ディスプレイ、さらには光と物質の相互作用に依存する医療に特に役立つ可能性があります。