水分子のダイナミクスの解明 / Molecular Dynamics in Water
水は、身近でありふれた液体ですが、比熱や表面張力が大きいなど、液体としては特異な性質をもちます。また、水は生命の維持に欠かせない物質といわれています。事実、生体分子をとりまいて立体構造の形成や化学反応に関与しています。こうした水の性質、水と生体分子との相互作用、ひいては水の機能を理解する上で礎となるのが、分子レベルの構造とダイナミクスです[1,2]。
水の中では、水素結合ネットワークが高密度に張り巡らされています。それぞれの水分子は熱運動をしますが、ある分子の運動が、水素結合を通して周囲の分子に影響を与えます。結果として、(i) 分子と分子の間では絶えずエネルギーのやりとりが起こり、(ii) 水分子で作られたネットワーク構造が揺らいでいます。私たちは、このような水のダイナミクスを解き明かす試みを行っています。HOH変角振動モードの励起寿命が高温になるほど長くなるという特異な温度依存性を明らかにしました[2]。
Water is a liquid with anomalous properties and an indispensable substance for life. It is involved in the 3D structures of bio-molecules and in their chemical reactions. Deeper understanding on the nature and the role of water requires microscopic knowledge on the molecular structure and dynamics [1, 2].
Because of the densely-packed hydrogen-bond networks, (i) vibrational energy transfer into neighboring molecules is ultrafast and (ii) the hydrogen-bond network structure fluctuates with characteristic time constants. We have unraveled ultrafast dynamics of vibrational energy relaxation and dissipation into the hydrogen-bond network, by using mid-infrared pump-probe spectroscopy [2].
[References]
1. S. Ashihara, N. Huse, A. Espagne, E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser, “Ultrafast librational dynamics and energy dissipation in the hydrogen bond network of water,” J. Phys. Chem. A Vol.111, No. 5, pp.743-746 (2007).
2. S. Ashihara, S. Fujioka, K. Shibuya, “Temperature dependence of vibrational relaxation of the OH bending excitation in liquid H2O,” Chem. Phys. Lett. Vol. 502, pp.57-62 (2011).
酸化物強誘電体中のキャリアダイナミクス / Carrier Dynamics in Oxides
強誘電体結晶ニオブ酸リチウム（LiNbO3）は光学界のシリコンとも言われ、光導波路・電気光学変調器・フォトリフラクティブ素子・波長変換素子など、幅広い用途に利用されています。我々は、ポンプ・プローブ分光法により、強誘電体結晶ニオブ酸リチウム（LiNbO3）における高速な光キャリア緩和ダイナミクスを明らかにしました。特に、キャリアが格子歪を伴って安定化したポーラロン状態に起因する光吸収が可視～近赤外域に現れることを明らかにしました。このポーラロン状態は、光誘起吸収変化のみならず、光伝導性や光起電力効果の振る舞いに大きく関わっていると考えれます。
Lithium niobate (LiNbO3) and lithium tantalate (LiTaO3) are important optical materials used for waveguides, electro-optical modulators, photorefractive devices, nonlinear optical devices, etc. We have unraveled carrier relaxation dynamics in these crystals by the pump-probe spectroscopy. It is found that induced optical absorptions are dominated by the polaronic states, where charge carriers are stabilized by the deformation of ionic lattice. The polaronic states are considered to be highly relevant not only to induced optical absorption but also to the photo conductivity and the photo galvanic effect.
[References]
1. S. Sasamoto, J. Hirohashi, S. Ashihara, “Polaron dynamics in lithium niobate upon femtosecond pulse irradiation: influence of magnesium doping and stoichiometry control,” J. Appl. Phys. Vol. 105, 083102 (2009).
2. S. Enomoto and S. Ashihara, “Comparative study on light-induced absorption between MgO: LiNbO3 and MgO: LiTaO3,” J. Appl. Phys. Vol. 110, 063111 (2011).