星間ガスや惑星大気の構造、物理化学状態は、これまで原子・分子のミクロな振る舞いを解明することで理解が進められてきました。近年の高感度の天文観測によって，これらの低温ガスの多くは恒星からの強力な極端紫外線（XUV）放射を受けて活発な原子分子反応の場となっていることが明らかとなりました。本研究では、「XUV環境下で原子や分子がどのように振る舞い，天体の物質組成や物理化学状態をいかに決定づけるのか」を解明することを目的として，先進的な原子分子衝突研究やレーザー分光技術を活用した新しい実験研究を展開します。惑星や星間環境の理解を飛躍的に深めるとともに、原子分子科学の新しいフロンティアを切り拓くことを目指しています。
次世代半導体の超微細加工や，宇宙・惑星大気における物質進化，材料科学や触媒など，固体表面と原子分子の相互作用は様々な場面で重要な役割を果たしています。表面で起こる現象を理解，制御するために様々な研究が行われていますが，その複雑さゆえに原子分子レベルでの完全な理解には辿り着いていません。当研究室では，いくつかの重要な表面プロセスに注目し，独自の手法で実験的研究をスタートしました。
20世紀後半から，電波天文観測によって様々な星間分子が発見され，現在までに有機分子や炭素クラスターを含む300種近い分子が発見されています。近年，日米欧共同プロジェクトであるアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）が，史上最高の感度，分解能による観測がスタートしました。一方で，物質の進化や天体の形成を特徴付ける星間分子の反応過程について，極低温環境下における実験的研究が著しく欠如しており，その詳細は精度良く知られていません。当研究室では最新のイオンビーム技術や計測手法を用いて，実験室で星間分子を衝突反応を調べることに挑戦しています。
構造の異なる同組成の分子（例：HOCとHCO）は構造異性体と呼ばれ、互いに異なった振る舞いを示します。星間空間においても多原子分子の40%以上が構造異性体を持つことが示唆されていますが，その存在量や反応性については，未だ数多くの謎があります。「異性体はどのような比で存在するのか？」「極低温の宇宙空間で分子は形を変えることができるのか？」本研究では、このような問題に実験的に答えを示すことを目指し，低温イオンモビリティー分析による異性体分析技術と，レーザープラズマによる深紫外光の発生技術を駆使した新しい実験に取り組んでいます。
電磁場によって荷電粒子を周回させる「イオン蓄積リング」は高エネルギーの加速器技術のひとつとして開発されてきました。近年はこれを小型化，低エネルギー化した，静電型のイオン蓄積リングが各所で活躍しています。中でも理研の静電リングRICEは，装置全体を極低温に冷却することで，10-11Paという極高真空を実現し，１時間以上もの間，水素原子からクラスター，生体分子まで様々な分子を蓄積することができます。このような最先端の装置と波長可変レーザーを併用し，星間分子の反応過程や，冷却過程を調べています。（解説記事）
結晶中を通過する高速のイオンは，結晶構造に応じて周期的に振動する電場を感じます。これをイオンの静止系から眺めると，レーザー光（=電磁波）を照射されている状態に相当し，疑似的な光励起を起こすことができます。これをコヒーレント共鳴励起とよび，光速に近い高エネルギーイオンを用いることで，レーザー発振の困難なX線〜γ線領域において原子状態のコントロールが実現できます。放医研HIMACやドイツGSI/FAIRといった加速器施設にて実験を行い，世界で最も高精度に重イオンの構造を調べることを目指しています。（解説記事）