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理工学部HOME > 学問のすゝめ > レーザーパルスによる化学反応制御 ~ 『分子の振動運動の量子制御』

学問のすゝめ

レーザーパルスによる化学反応制御 ~ 『分子の振動運動の量子制御』

菅原 道彦 (化学科 専任講師)

 皆さんは化学反応にどの様なイメージをお持ちですか。試験管・フラスコ等のガラス容器を用いた加熱・攪拌などの作業風景、発熱、色の変化等でしょうか。実際に目で見たり、肌で感じることが出来る身近な現象としての化学反応も、原子・分子サイズのレベル、すなわちミクロスコピックな観点で解釈すると『分子を構成する原子の組み替えが起こっている現象』と捉えることができます。通常、室温の溶液中において進行する様な熱反応における生成物の収量は統計力学に基づいて決定されています。この理論によれば、安定な物質は不安定な物質より必然的に多く生成することになります。しかし、場合によってはより不安定な生成物の方が必要とされることもあるでしょう。その様な場合はどうすればよいのでしょうか。
 ここで、最初のミクロスコピックな観点からの化学反応の定義に立ち戻ってみます。分子を構成している原子を直接操作することによって実現できるのではないかという様な考えが浮かぶ人もいるでしょう。もし、原子をつまむことができるような非常に小さいピンセットがあったとしたら、それを使ってむこうの原子をはがしてこちらにくっつけてしまうみたいなやり方で強引に新たな化学物質を作ってしまうことができるのかもしれません。残念ながら、世の中にその様な便利なピンセットは存在しませんが…。そこで、そのピンセットの代わりの役割をしてくれるのがレーザーパルス(短い時間だけ照射されるレーザー光)です。レーザーパルスの特徴的な性質として、

【性質1】位相が定まった光であること。(コヒーレント光)
【性質2】大量のエネルギーを非常に短い時間(フェムト秒=10の15乗分の1秒)の間に注入できること。

などが挙げられます。【性質1】は、分子の振動状態が時間に伴って変化する状態に変化させるのに適しています。一方で、【性質2】によって反応が起こるとされる非常に短い時間スケールにおいてレーザーのエネルギーを注入するタイミングを指定できるため化学反応の制御に大変有用なのです。 最近のレーザーはますます高出力・短パルス化が進み、さらにレーザーパルス自体の整形(中心振動数やパルス幅、パルス型など)も容易になってきています。そこで、レーザー場を照射することによって分子内の特定の結合にメスを入れ化学反応を制御するためには、うまくレーザーパルスをデザインする理論が必要となってきます。私は分子振動の詳細な量子力学的解析法及び最適制御理論を組み合わせることにより、目的の反応を促進するために最適なレーザー場をデザインすることを研究しています。
 図1は重水素置換された水について、OH結合のみを選択的に切断するためのレーザー場を設計した結果です。理論設計された図に示すような複雑な時間変化をする「制御レーザー場」を照射することにより、OH伸縮方向の振動のみが励起された振動波動関数(波束)が生成され、OH結合が切れやすくなるのです。

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