酒井広文研究室
１．研究分野最先端レーザー技術を駆使した原子分子物理学実験©Yumiko Sakai(my wife) 2003
レーザー物理（AMO: Atomic, Molecular, and Optical Physics)
量子力学的現象・効果が顕著に現れ、直接的に観測できるのが魅力
酒井グループは、高強度レーザー電場を用いた気体分子の配列・配向制御という新しい研究分野を開拓し、一貫して世界をリードする研究を進めています！
２．研究場所
実験室：理学部１号館西棟地下１階Ｂ１０２号室、Ｂ１０４号室
居室：理学部１号館中央棟４階４４２号室、４４０号室
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「分子内電子の立体ダイナミクス」研究の展開
高強度フェムト秒レーザーパルスでトンネルイオン化した電子が再衝突する際に、下記の興味深い現象が発現する。
非段階的２重イオン化
高次高調波発生高エネルギー電子の発生

２電子励起

配列・配向した分子アン
サンブルは、左記の様々な物理現象における配列・配向依存性を実験的に明らかにするための理想的な試料となる！

「分子内電子の立体ダイナムクス」←これらの現象の配列・配向依存性を明らかにする
CEP制御された数サイクルパルス→光の１周期以内の現象のCEP依存性も明らかにできる 2

超高速分子イメージングの高度化へ（最も高度で洗練された分子イメージングの確立）
Electric Field EL(t) =0 = /2
 =

EL(t ) = AL(t ) cos[L(t )t +  ]・配向した分子を試料とする・CEP制御された数サイクルパルスを照射→分子の配向依存性を明らかにしつつ、光の１周期以内の現象を直接的に解明！
3気体分子の配列・配向制御（断熱領域）
(1D)

(3D)

レーザー電場の存在下で配列や配向が実現

（配列）

（配向）
H. Tanji, et al., Phys. Rev. A 72, 063401 (2005).

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ほぼすべてのマイルストーン技術を東大酒井グループが単独で開発！

（東大酒井グループの独創です！）

２波長用プラズマシャッターの概略図
Mun et al., Optics Express 27, 19130 (2019)より立下り~150 fs程度で急峻に遮断できる！

分子のトンネルイオン化とそれに続く非段階的２重イオン化の配向依存性
電子・イオン多重同時計測運動量画像分光装置（ＣＯｰＶＩＳ）の活用（特別実験のもう一つの課題です。）
Delay-line anode・レーザー電場に直接応答する MCP電子を観測できる。

e-jCEP

Even-Lavie valve
Φ：150 mmConcave mirror
f = 100 mm

解離するチャネルを区別して配向依存性を明らかにできる！
（１）イオン化用レーザーの波長スケーリン
MCP
グの探究（２）搬送波包絡位相（CEP）依存性の探究

M+

Delay-line anode

開発したCO-VIS→8数値計算の課題を提供することもできます1. Md Maruf Hossain and Hirofumi Sakai, “All-optical orientation of linear molecules withcombined linearly and elliptically polarized two-color laser fields,” J. Chem. Phys. 153,104102 (2020)の発展
上記の論文では、直線偏光の基本波と楕円偏光の第２高調波の組合せで１次元的な分子配向制御（直線分子の配向制御）を行うことを提案した。

その後、数値計算コードを３次元的な分子配向制御に拡張し、非対称コマ分子の３次元的配向制御のダイナミクスを追究した。下記の論文を近日中に投稿予定。江崎蘭世君が貢献。
2. Md. Maruf Hossain, Nanse Esaki（江崎蘭世）, and Hirofumi Sakai, “All-optical threedimensional orientation of asymmetric top molecules with combined linearly and ellipticallypolarized two-color laser fields,” to be submitted to J. Chem. Phys.
これらの成果を基礎として、さらに光学異性体（キラルな分子）を配向制御するための数値計算プログラムを開発し（特別実験の課題の例）、配向のダイナミクスと時間依存偏光パルスとの相互作用の研究に発展させたい。
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特別実験の成果を学会や論文で発表
１．洪木子、酒井広文「フィールドフリーな条件下でのマクロな３回対称性をもつ分子アンサンブル生成のダイナミクス」
レーザー学会学術講演会第41回年次大会（２０２１年１月）
洪木子さんが令和２年度理学部学修奨励賞を受賞
２．仲林宏斗、小松原航、酒井広文「２色レーザー電場を用いたマクロな３回対称性をもつ分子アンサンブルの生成法の提案」
２０１８年（平成３０年）第６５回応用物理学会春季学術講演会「３回対称性をもつ気体結晶の生成法」
レーザー学会学術講演会第３９回年次大会
Physical Review A 99, 043420 (2019)３．羅恒宇、小森健太郎、峰本紳一郎、酒井広文｢配列したＣＯ２分子中から発生する高次高調波の楕円率依存性｣
２０１４年（平成２６年）第６１回応用物理学会春季学術講演会
小森健太郎君が平成２５年度理学部学修奨励賞を受賞
４．樋口嵩、中前秀一、渡部源太郎、峰本紳一郎、酒井広文｢配列分子から発生する第三高調波の楕円率依存性｣
２０１２年秋季第７３回応用物理学会学術講演会 ほか多数
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レーザーを用いた原子分子物理学
実験の特長（魅力）０．極限環境下の有限量子系→量子力学理論の直接的検証が可能
１．物理・化学・レーザー工学の学際的領域
２．自分のアイデアを自分で検証できる
３．新現象の発見があるなど実験が理論より先行する場合が少なくない
４．実験の準備期間が比較的短く装置開発まで自分でできる
５．一人ないし少人数の実験が主体で自分が主役になれる（プロジェクトの歯車にならない）
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アト秒物理に関する実験研究にも取り組んでいます
単一アト秒パルス（< 200 as）の発生と配列分子を用いた偏光制御、及び原子分子中の電子の超高速ダイナミクスの制御への応用

原子分子中の電子が運動する時間
スケールがアト秒（10-18 sec)領域
時間の1原子単位＝24 as（水素原子の基底状態にある電子が軌道上を1 rad走るに要する時間）↑Artistic representation of a coherent (laser-like) X-ray pulse.
[Tenio Popmintchev, JILA, University of Colorado at Boulder]
Optics & Photonics News, May 2015より

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「分子ムービー」技術の開発にも取り組んでいます

SACLA（理研・播磨キャンパス）HPより
1. 「X線光電子回折法」の原理実証： Nakajima et al., Sci. Rep. 5, 14065 (2015)
2. 配列レーザー電場中の核間距離の伸長の発見： Minemoto et al., Sci. Rep. 6, 38654 (2016)
3. Ar 3p光電子のATI信号の観測とジッター評価： Minemoto et al., J. Phys. B 51, 075601 (2018)
着々と成果を積み上げています！
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「分子ムービー」の実験（今後の展開）

韓国（ＰＡＬ：Pohang Accelerator Lab.)HPより
Ｘ線光電子回折実験に最適な光子エネルギー
300 eV～1 keVが供給される
Cl2

測定原理

Br2I2

S. Tsuru et al., J. Chem Phys. 148, 124101 (2018)
まずは、２原子分子の解離ダイナミクスの観測から気体分子を試料とする場合、配列・配向した分子アンサンブルの利用が不可欠
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本研究で解明する分子光化学反応の例

N 窒素原子O 酸素原子【期待される成果と意義】➢ 新たな分子構造決定法の創設➢ 超ＢＯ化学創設への貢献➢ 偏光利用による反応制御

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