東北大ら,X線照射で始まる超高速反応を観測

東北大学,フィンランドのトルゥク大学,独ハイデルベルグ大学,仏パリ・サクレ大学,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は,X線を気相の孤立した多原子分子に照射してから数10fsで完結する超高速反応を観測することに成功した(ニュースリリース)。

X線を生体分子に照射すると放射線損傷と呼ばれる分子の破壊が起こるが,そのメカニズムは解明されていない。放射線損傷を制御できれば,例えば放射線を用いたがん治療を正確に効率よく実施することが可能となる。

今回の実験では,最も小さい有機分子であるメタン分子の中の2つの水素原子をヨウ素原子で置換したジヨードメタン分子にX線を照射して起こる過程を観測した。分子にX線を照射すると,エネルギーが高く不安定な状態の分子になる。不安定な分子は,電子を放出しながら,よりエネルギーが低く,より安定な状態へ緩和していく。

このような過程はオージェ過程と呼ばれ,緩和していく最中に分子は電子をいくつも放出するので価数が高い分子イオンになる。最後にはバラバラになって,イオン化した原子が飛び出してくる。エネルギーが高い状態から低い状態へ緩和していく途中で別のレーザー光を照射すると,分子は少しエネルギーが高い状態になり,最後に飛び出してくるイオンが変化する。

研究グループは,分子がバラバラになって飛び出してくるイオン化した原子を検出して,レーザー光を照射するタイミングによってどのような変化が起こるかを調べた。そして,緩和過程途中の状態で数10fs程度の時間が存在していることがわかった。また,オージェ過程の他にも,分子内の2つのヨウ素原子間で起こる,原子間クーロン緩和と呼ばれる過程が関与していることがわかった。

極めて短時間で起こる現象を観測するには,極めて短い時間だけ照射できるX線が必要。研究グループは日本のX線自由電子レーザー施設SACLAで実験を行なうことで,今回の研究成果を得ることができた。

研究グループは,X線が誘起する孤立した多原子分子中での超高速反応の観測に成功した研究は初めてのものとし,今回の測定法は,これまで捉えることが困難だった他の超高速現象の観測にも応用でき,放射線損傷機構解明に向けた大きな発展が期待できるとしている。

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