科学者は、微視的な化学反応の観察において大きな進歩を遂げました。欧州 X 線自由電子レーザー施設 (欧州) を含むいくつかの研究機関の研究者

光子を吸収してから数兆分の 1 秒以内に、分子は急速に構造の曲がり、電荷の移動、電子エネルギーの分子振動への変換を起こします。このプロセスは非常に短いため、従来の実験方法では明確な詳細を捕捉することが困難です。研究者らは、環状小分子3-フルオロピリジンを研究対象として選択し、その中の窒素原子とフッ素原子を2つの独立した観測点として使用した。実験では、まず極短紫外パルスレーザーを照射して分子を電子励起状態に励起し、次に欧州のXFELで生成された極紫外X線パルスを用いて特定原子の深層にある核電子を除去し、これらの電子が奪ったエネルギー変化を正確に測定した時間分解X線光電子分光法（tr-XPS）技術を利用した。

実験結果は、同じ分子内の異なる原子が反応プロセス中に完全に異なる情報を記録することを示しています。初期励起プロセスに関与する窒素原子は、分子内の電荷移動と構造変化の混合ダイナミクスをより明確に反映できます。一方、フッ素原子は主に分子の「振動緩和」プロセスの指標として機能し、過剰なエネルギーが分子構造全体にどのように再配分されるかを示します。研究では、光励起によって、隣接する原子の動きに対する特定の原子の感度が高まることも示されています。

これらの顕微鏡測定データと高度な数値シミュレーションを組み合わせることにより、研究チームは、分子が励起状態から「コーン交差点」（電子状態と核の運動が密接に結合している臨界領域）を通って移動し、最終的に基底状態に戻るまでのプロセス全体を再構築することに成功した。この画期的な成果は、超高速 X 線パルスがほぼ同時の電子力学と構造運動を区別できることを証明するだけでなく、複雑な光化学反応の解釈における複数サイトの共同観察の独自の利点も証明します。将来的には、この手法は、より複雑な生体高分子、機能性有機材料、太陽エネルギー変換材料の微視的機構の研究に拡張されることが期待されます。