Femtosecond charge and molecular dynamics of I-containing organic molecules induced by intense X-ray free-electron laser pulses
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Notice bibliographique
Résumé
We studied the electronic and nuclear dynamics of I-containing organic molecules induced by intense hard X-ray pulses at the XFEL facility SACLA in Japan. The interaction with the intense XFEL pulse causes absorption of multiple X-ray photons by the iodine atom, which results in the creation of many electronic vacancies (positive charges) <italic>via</italic> the sequential electronic relaxation in the iodine, followed by intramolecular charge redistribution. In a previous study we investigated the subsequent fragmentation by Coulomb explosion of the simplest I-substituted hydrocarbon, iodomethane (CH <sub>3</sub> I). We carried out three-dimensional momentum correlation measurements of the atomic ions created <italic>via</italic> Coulomb explosion of the molecule and found that a classical Coulomb explosion model including charge evolution (CCE-CE model), which accounts for the concerted dynamics of nuclear motion and charge creation/charge redistribution, reproduces well the observed momentum correlation maps of fragment ions emitted after XFEL irradiation. Then we extended the study to 5-iodouracil (C <sub>4</sub> H <sub>3</sub> IN <sub>2</sub> O <sub>2</sub> , 5-IU), which is a more complex molecule of biological relevance, and confirmed that, in both CH <sub>3</sub> I and 5-IU, the charge build-up takes about 10 fs, while the charge is redistributed among atoms within only a few fs. We also adopted a self-consistent charge density-functional based tight-binding (SCC-DFTB) method to treat the fragmentations of highly charged 5-IU ions created by XFEL pulses. Our SCC-DFTB modeling reproduces well the experimental and CCE-CE results. We have also investigated the influence of the nuclear dynamics on the charge redistribution (charge transfer) using nonadiabatic quantum-mechanical molecular dynamics (NAQMD) simulation. The time scale of the charge transfer from the iodine atomic site to the uracil ring induced by nuclear motion turned out to be only ∼5 fs, indicating that, besides the molecular Auger decay in which molecular orbitals delocalized over the iodine site and the uracil ring are involved, the nuclear dynamics also play a role for ultrafast charge redistribution. The present study illustrates that the CCE-CE model as well as the SCC-DFTB method can be used for reconstructing the positions of atoms in motion, in combination with the momentum correlation measurement of the atomic ions created <italic>via</italic> XFEL-induced Coulomb explosion of molecules.
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