Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

超低エネルギー電子衝突 / 衝突断面積 / 放射光 / Cold Electron Collision / 電子衝突断面積 / 電子散乱 / 電子Cold Collision / 超低エネルギー電子ビーム / 原子・分子物理 / プラズマ・核融合 / 量子ビーム

超低エネルギーの電子-分子衝突では、電子のde Broglie波長が極めて長くり、さらに衝突時間も分子の振動周期程度まで長くなる。このため入射電子と核の運動が強く相互作用し、特異的な散乱現象が期待される。
本研究では、世界で初めて10 meVを下回る衝突エネルギーにおけるH2および同位体であるHD, D2の超低エネルギー電子衝突断面積の測定し、特異的な散乱現象を見出した。また、水素分子で得られた興味深い結果と比較するために、酸素分子の超低エネルギー電子衝突断面積の測定・解析を行った。これらの結果、超低エネルギー電子-分子衝突における特異な散乱過程を明らかにした。

水素分子は最も簡単な分子であり、電子－水素分子衝突は量子力学における散乱理論モデルの検証という点で最も優れた系である。このような最も基礎的な系で、超低エネルギーにおいては、これまで広範な系に適用されてきた理論モデルの破綻が明らかになったことは重要である。
さらに、電子－原子・分子衝突により引き起こされる過程は、自然界から身の回りの製品に至るまで広く応用され、広範な分野の基礎過程である。特に、室温以下のエネルギーに対応する超低エネルギー電子衝突全断面積は不足しており、本研究による研究は極めて重要な物理量を与えるものである。

超低エネルギー電子衝突 / 量子ビーム / 衝突断面積 / 放射光 / 電子 Cold Collision / 超低エネルギー電子ビーム / 電子衝突断面積

電子のde Broglie波長が原子・分子の大きさよりも遥かに長くなる様な、超低エネルギー領域における電子衝突（電子Cold Collision）実験を通して、量子論的な特異物理現象の発現を探索した。本研究では、放射光を用いることで衝突エネルギー10meV以下までの超低エネルギーの電子ビームを生成し、N2、O2などの二原子分子、CO2など三原子分子の電子衝突断面積を測定した。また、単原子分子であるHeについても、精密な断面積測定に成功し、これまで多くの研究の基準となっていた理論予想値が正しいことを明らかにすることが出来た。

一電子平均場近似 / Born-Oppenheimer近似 / 多電子励起分子 / 同時計数法 / 光子対生成 / 電子衝突 / 放射光 / NO / NH_3 / N_2 / O_2 / 原子・分子物理 / 量子エレクトロニクス / プラズマ・核融合 / 放射線、X線、粒子線 / 量子ビーム

多電子励起分子は、化学の基本ともいえる一電子平均場近似とBorn-Oppenheimer近似がともに成り立ちにくい、非常に興味深い研究対象である。代表者らは、多電子励起分子の観測に多大な威力を発揮する光子標識付き電子エネルギー損失法と(γ,2γ)法を最近相次いで実現した。本研究ではこれらを駆使して、二原子分子から始め、多原子分子に至るまで、各種の分子について多電子励起状態を探索し、その量子ダイナミクスを解明することを目的とした。
Lyman-α光子標識付き電子エネルギー損失分光法をCH_4に適用し、入射電子エネルギー80eV、電子散乱角12,24°のもとで損失エネルギー20-46eVの領域で、スペクトルを測定した。そこには、一電子励起状態に由来するピークのほかに、二電子励起状態に由来するピークが、むしろより強く現れた。異なる散乱角で測定した角度微分断面積を共通のスケールに乗せることができるようになった。二電子励起の角度微分断面積の電子散乱角依存性が、一電子励起の微分断面積のそれとは異なることがわかった。同様の方法をNH_3に適用し、入射電子エネルギー100eV、電子散乱角8°のもとで、損失エネルギー15-48eVの領域でスペクトルを測定した。やはり一電子励起状態に由来するピークのほかに、二電子励起状態に由来するより強いピークが現れた。さらに異常に細いピークが現れた。
(γ,2γ)法をN_2とO_2に適用し、一光子吸収・光子対放出過程の断面積を入射光子エネルギーの関数として、23-50eVの範囲で測定した。多くの多電子励起状態に由来するピークが現れた。驚くべきことに、それぞれの二重イオン化しきい値を超えてなお多電子励起状態に由来するピークが現れる。
本研究により、多電子励起分子が確かに存在することと、その量子ダイナミクスがこれまでの常識では理解しにくいことが明らかとなった。

【研究分担者】
北島昌史	東京工業大学	大学院・理工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
小田切丈	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助教	(Kakenデータベース)