KEKら，光電子回折法による分子ムービーの原理を実証

高エネルギー加速器研究機構（KEK），東京大学，立命館大学，千葉大学，京都大学，日本原子力研究開発機構，理化学研究，高輝度光科学研究センターの研究グループは，X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」を用いて，向きを揃えたヨウ素分子（I₂）からのX線光電子回折像を観測することに成功した（ニュースリリース）。

光を照射することで物質に化学変化を起こす光化学反応について，超高速で起こる気相光化学反応を可視化する「分子ムービー」の実現が強く望まれている。

研究グループは，試料分子の特定の原子から放出される光電子の波と，その分子内の隣の原子による散乱波の干渉を利用して分子構造を決める光電子回折法を用いた分子ムービーを開発しており，今回，大強度・超短パルスのXFELを用いて光電子回折実験を行なった。

気体の分子はランダムな方向を向いているので，従来の実験では個々の分子からの光電子回折像は分子の方向で平均化されてしまい，分子固有の光電子回折像を得ることが出来ない。そこで，気体分子にYAGレーザーパルスを照射し，その電場によりヨウ素分子（I₂）の方向を揃えた。

そしてYAGレーザーパルスと時間的，空間的に完全にオーバーラップしたXFELパルスを照射することで，向きが揃ったヨウ素分子（I₂）のヨウ素原子（I）から放出される光電子回折像を得ることに成功した。

光電子を放出したヨウ素分子は，壊れてヨウ素イオン（In⁺）になり，分子が配列していた向きに放出される。光電子と同時に測定されたそのヨウ素イオンの分布から，ヨウ素分子の配列度（向きの揃い具合の程度）を決定した。

光電子回折像の実験結果を，ヨウ素分子の配列度を考慮にいれた理論計算と比較したところ，非常に良く一致することが確かめられた。これは光電子の回折像から分子の原子間距離や結合角が決定できることを示しており，超短パルスのXFELにより光電子放出が起こった瞬間の分子構造が決定できることを実証したと言える成果だとしている。

一方，試料分子の方向が完全に揃っている場合の理論計算は，光電子の回折像に強度の強弱として観測される干渉パターンが現れることを示している。しかし，今回の実験では，試料分子の配列度の制約から，干渉パターンを観測するには至っていない。

しかし，試料分子の向きをより良く揃えることにより，干渉パターンを観測することができれば，超高速で進行する分子の光化学反応途中の分子構造の変化を精度よく決めること，すなわち「分子ムービー」の構築が可能となる。

一般に，光化学反応による原子の組み変えを決める化学空間は，現在のスーパーコンピューターをもってしても，系統的な探索を寄せ付けないが，今回の成果は分子ムービー実現の第一歩となるもの。

研究グループでは今後，開発した超高速光電子回折法により，超高速光化学反応ダイナミクスを解明し反応制御の方法を探索することを目指すとしている。