東北大ら，X線のパルス幅の間に分子が変形することを発見

東北大学，京都大学，広島大学，理化学研究所，及び高輝度光科学研究センター等による合同研究チームは，重原子（ヨウ素原子）を含む炭化水素分子にX線自由電子レーザ（XFEL）施設SACLAから供給される非常に強力なＸ線を照射すると，わずか10フェムト秒のX線パルス幅（照射時間）の間に，分子が変形することを見出した（ニュースリリース）。

重原子を含む分子は，X線を吸収すると次々に電子を放出する。この過程を繰り返して急激に多価イオンとなることで，分子を構成するイオン化した原子がバラバラに飛び散る。

実験で測定した各原子の運動量の相関を，モデル計算により再現することで，10フェムト秒のX線パルス幅の間に，分子は水素イオンを放出し，重原子と炭素原子との間の距離も10%ほど伸びることが分かった。

具体的には，X線をヨウ素原子に照射すると，ヨウ素原子の深い（エネルギーが高い）内殻軌道から電子が放出されて，ヨウ素原子はエネルギーが高く不安定な原子イオンになる。この不安定な原子イオンは比較的浅い（エネルギーが低い）軌道の電子を次々に放出することで安定化し，多価原子イオンになる。

SACLAの非常に強力なX線パルスを照射すると，このような過程が10フェムト秒のＸ線照射時間の間に複数回起こり，非常に多価のイオンが生成する。ヨウ素原子が分子の中に含まれる場合でも，X線を照射すると分子中のヨウ素原子は同様に非常に多価のイオンとなり，正の電荷は速やかに分子全体に再配分される。

電荷が再配分されると，それぞれの原子が電荷をもつため，原子イオン間のクーロン反発力によって，分子はバラバラになって飛び散っていく。この現象はクーロン爆発と呼ばれている。

研究では，ヨウ化メチル分子を真空中に導入して，SACLA BL3で得られる超強力X線パルスを照射し，放出される原子イオンの3次元運動量を測定した。1個の分子から放出される原子イオン同士は運動量保存則を満たすことを用いて，1個のヨウ化メチル分子から生成するヨウ素原子多価イオンと炭素原子多価イオンの運動量の相関を観測することに成功した。

また，モデル計算を用いてこの運動量相関の観測結果を再現したところ，ヨウ素原子サイトの電荷上昇に要する時間は約9フェムト秒であるのに対して電荷が分子全体に広がるのに要する時間は約3フェムト秒であること，さらに，わずか10フェムト秒のX線照射時間の間に炭素原子イオンと水素原子イオンとの距離は3倍に広がること，炭素原子イオンとヨウ素電子イオンの距離も10%程度は変化することが見出された。

XFELの非常に強力なX線パルスを用いると，非常に小さな結晶や結晶化していない試料からでも1発のX線パルスでX線散乱を計測できるため，これまで構造が決定できなかった様々な物質や反応途中の物質の構造が決定できると期待されている。

特に，タンパク質分子の新規構造決定では，重原子が注目されている。例えば，光触媒反応では重金属原子が重要な役割を担う。今回の研究で，重原子を含む分子にSACLAの強力Ｘ線パルスを照射すると，10フェムト秒のX線照射時間内に分子が多くの電子を失って分子の形も変化することが見出されたことは，X線散乱の解析においても，この現象を，モデル計算等を用いて考慮する必要があることを示している。