Pioneering gigabar science

• Project/Area Number: 17H02996
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Plasma science
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Shigemori Keisuke 大阪大学, レーザー科学研究所, 教授 (50335395)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 境家 達弘 大阪大学, 理学研究科, 助教 (60452421) ; 尾崎 典雅 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70432515)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2018: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2017: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: 高エネルギー密度科学 / 超高圧力 / 高強度レーザー / 高速電子 / ナノワイヤーアレイ / 強磁場構造 / 衝撃波 / ナノワイヤー / XFEL / 高圧力 / レーザープラズマ不安定性 / X線自由電子レーザー / 高エネルギー密度 / 爆縮 / 超高強度レーザー / 高密度プラズマ

Outline of Final Research Achievements

In this research, we investigated the scheme on ultra-high pressure condition of gigabar (1 billion atmospheres) with high-intensity laser irradiation. We also have constructed the platform that contributes to high-energy density scientific research, and explore its application fields. During the four-year research period, the development of this pressure generation scheme in the Gigabar regime and its physical mechanism were elucidated by two major approaches. (1) We have developed a scheme that effectively utilizes hot electrons generated by laser plasma interactions in pressure generation due to ablation generated by high-intensity laser irradiation. (2) We succeeded in obtaining an ultra-high pressure state by irradiating a sample with a nanowire structure on the surface with an ultra-high intensity laser and improving the absorption rate on the sample surface.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ギガバールという超高圧力状態は，これまで核実験や巨大なレーザー施設を用いてのみ得られる稀有な条件であり，この状態を応用することにより天文学や新たな物質状態を得られる可能性を秘めているものの，適用が困難であった．本研究により，比較的小規模な施設でもこの極限状態を得られることが証明されたことにより，地球や惑星内部物質の構造や星の進化などの学術研究を始め，近年高度化しているレーザー加工の分野，さらにこの状態で起こる相転移などの状態変化を応用した新物質創成など，新たな学術分野や産業応用への波及が期待される．

Research Products

• [Int'l Joint Research] ボルドー大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] CNR-INO(イタリア)
• [Journal Article] Bremsstrahlung cannon design for shock ignition relevant regime (2021)
  • Author(s): Koester P.、Baffigi F.、Cristoforetti G.、Labate L.、Gizzi L. A.、Baton S.、Koenig M.、Cola?tis A.、Batani D.、Casner A.、Raffestin D.、Tentori A.、Trela J.、Rousseaux C.、Boutoux G.、Brygoo S.、Jacquet L.、Reverdin C.、Le Bel E.、Le-Deroff L.、Theobald W.、Shigemori K.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 92 Issue: 1 Pages: 013501-013501
  • DOI: 10.1063/5.0022030
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Surface structure on diamond foils generated by spatially nonuniform laser irradiation (2020)
  • Author(s): Kato Hiroki、Nagatomo Hideo、Nakai Mitsuo、Sakaiya Tatsuhiro、Terasaki Hidenori、Kondo Tadashi、Hironaka Yoichiro、Shimizu Katsuya、Shigemori Keisuke
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 9017-9017
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66036-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dependences of morphology and surface roughness on growth conditions of diamond capsules for the direct-drive inertial confinement fusion (2020)
  • Author(s): Iwasaki T.、Kawasaki K.、Yamada H.、Ohmagari S.、Takeuchi D.、Chayahara A.、Mokuno Y.、Hironaka Y.、Shigemori K.
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 37 Pages: 100849-100849
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100849
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generation of residual stress field in metal by an interference shock wave (2020)
  • Author(s): Hironaka Yoichiro、Miura Eisuke、Miyanishi Kohei、Shigemori Keisuke、Matsuoka Takeshi、Ozaki Norimasa、Kurita Takashi、Kabeya Yuki、Watari Takeshi、Mizuta Yoshio、Kuroda Ryunosuke、Kodama Ryosuke
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 37 Pages: 100864-100864
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100864
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The role of hot electrons on ultrahigh pressure generation relevant to shock ignition conditions (2020)
  • Author(s): Kawasaki Koki、Hironaka Yoichiro、Maeda Yuto、Iwasaki Toshihiro、Tanaka Daisuke、Miyanishi Kohei、Nagatomo Hideo、Fujioka Shinsuke、Ozaki Norimasa、Kodama Ryosuke、Matsuoka Takeshi、Batani Dimitri、Trela Jocelag、Nicolai Phillipe、Shigemori Keisuke
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 37 Pages: 100892-100892
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100892
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Preliminary results from the LMJ-PETAL experiment on hot electrons characterization in the context of shock ignition (2020)
  • Author(s): Baton S.D.、Cola?tis A.、Rousseaux C.、Boutoux G.、Brygoo S.、Jacquet L.、Koenig M.、Batani D.、Casner A.、Bel E. Le、Raffestin D.、Tentori A.、Tikhonchuk V.、Trela J.、Reverdin C.、Le-Deroff L.、Theobald W.、Cristoforetti G.、Gizzi L.A.、Koester P.、Labate L.、Shigemori K.
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 36 Pages: 100796-100796
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100796
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of ultra-high energy density state with x-ray free electron laser SACLA (2020)
  • Author(s): Y. Maeda , Y. Hironaka , T. Iwasaki , K. Kawasaki , Y. Sakawa , T. Izumi , M. Ota , S. Egashira ,Y. Nakagawa, N. Higashi, Y. Sentoku, R. Kodama, N. Ozaki, T. Matsuoka, T. Somekawa, T. Yabuuchi, Y. Inubushi, T. Togashie, A. Kone, K. Sueda, K. Miyanishi, S. Shingubara, T. Shimizu, A. Okumura, K. Shigemori
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 36 Pages: 100813-100813
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100813
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurements of Rayleigh?Taylor instability growth of?laser-shocked iron?silicon alloy (2019)
  • Author(s): Sakaiya Tatsuhiro、Terasaki Hidenori、Akimoto Kosaku、Kato Hiroki、Ueda Taichi、Hosogi Ryota、Fujikawa Takashi、Kondo Tadashi、Hironaka Yoichiro、Shigemori Keisuke
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 39 Issue: 1 Pages: 150-159
  • DOI: 10.1080/08957959.2019.1575966
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 3 × 10⁸D-D Neutron Generation by High-Intensity Laser Irradiation onto the Inner Surface of Spherical CD Shells (2018)
  • Author(s): SATOH Nakahiro、WATARI Takeshi、NISHIHARA Katsunobu、MATSUKADO Koji、YOSHIMURA Ryo、AKIYAMA Naoki、TAKAGI Masaru、KAWASHIMA Toshiyuki、ABE Yuki、ARIKAWA Yasunobu、SUNAHARA Atsushi、HIRONAKA Yoichiro、SHIGEMORI Keisuke、FUJIOKA Shinsuke、NAKAI Mitsuo、AZECHI Hiroshi
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Issue: 0 Pages: 2401028-2401028
  • DOI: 10.1585/pfr.13.2401028
  • NAID: 130007396440
  • ISSN: 1880-6821
  • Year and Date: 2018-04-24
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and characterization of diamond capsules for direct-drive inertial confinement fusion (2018)
  • Author(s): Kato, H., Yamada, H., Ohmagari, S., Chayahara, A., Mokuno, Y., Fukuyama, Y., Fujiwara, N., Miyanishi, K., Hironaka, Y., Shigemori, K.
  • Journal Title: Diamond and Related Materials Volume: 86 Pages: 15-19
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2018.04.010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of equation of state on laser imprinting by comparing diamond and polystyrene foils (2018)
  • Author(s): Kato H.、Shigemori K.、Nagatomo H.、Nakai M.、Sakaiya T.、Ueda T.、Terasaki H.、Hironaka Y.、Shimizu K.、Azechi H.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 25 Issue: 3 Pages: 032706-032706
  • DOI: 10.1063/1.5018906
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 直接照射型レーザー核融合におけるダイヤモンド燃料カプセルの適用 (2021)
  • Author(s): 重森 啓介、川﨑 昂輝、田中 大裕、長友 英夫、三間 圀興、山田 英明
  • Organizer: レーザー学会 学術講演会 第41回年次大会
  • Invited
• [Presentation] The First Direct- Drive Implosion Experiment of Polycrystalline Diamond Capsules at GEKKO Laser Facility (2021)
  • Author(s): K. Kawasaki, D. Tanaka, H. Yamada, S. Ohmagari, Y. Mokuno, A. Chayahara, Y. Maeda, T. Tamagawa, Y. Hironaka, K. Shigemori
  • Organizer: The 16th Direct Drive and Fast Ignition Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー生成プラズマにおけるプラズマ-固相の動的境界 (2021)
  • Author(s): 重森啓介
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
  • Invited
• [Presentation] ナノワイヤーアレイにおける超高強度レーザー吸収輸送機構の解明 (2021)
  • Author(s): 前田優斗, 弘中陽一郎, 川崎昂輝, 坂和洋一, 太田雅人, 江頭俊輔, 中川義治, 千徳靖彦, 岩田夏弥, 長友英夫, 兒玉了祐, 尾崎典雅, 染川智弘, 宮西宏併, 末田敬一, 籔内俊毅, 犬伏雄一, 富樫格, 今亮, 新宮原正三, 清水智弘, 佐々木涼, 重森啓介
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] レーザー核融合の衝撃波点火方式における高速電子の衝撃波圧力に及ぼす影響の評価 (2021)
  • Author(s): 川﨑昂輝, 弘中陽一郎, 前田優斗, 玉川拓実, 田中大裕, 長友英夫, 藤岡慎介, 梅田悠平, 片桐健登, 尾崎典雅, 兒玉了祐, D. Batani, J. Trela, P. Nicolai, D. Mancelli, G. Cristoforetti, 重森啓介
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 衝撃点火方式におけるレーザープラズマ相互作用評価のための計測系の開発 (2021)
  • Author(s): 玉川拓実, 弘中陽一郎, 前田優斗, 川崎昂輝, 田中大裕, 尾崎典雅, 兒玉了祐, 瀧澤龍之介, 藤岡慎介, 余語覚文, D. Batani, G. Cristoforetti, 重森啓介
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] ナノワイヤーアレイにおける超高強度レーザー吸収輸送機構の解明 (2020)
  • Author(s): 前田優斗, 弘中陽一郎, 川崎昂輝, 坂和洋一, 太田雅人, 江頭俊輔, 中川義治, 千徳靖彦, 岩田夏弥, 長友英夫, 兒玉了祐, 尾崎典雅, 染川智弘, 宮西宏併, 末田敬一, 籔内俊毅, 犬伏雄一, 富樫格, 今亮, 新宮原正三, 清水智弘, 佐々木涼, 重森啓介
  • Organizer: 第37回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] レーザー核融合の衝撃波点火方式における高速電子の衝撃波圧力に及ぼす影響の評価 (2020)
  • Author(s): 川﨑昂輝, 弘中陽一郎, 前田優斗, 玉川拓実, 田中大裕, 長友英夫, 藤岡慎介, 梅田悠平, 片桐健登, 尾崎典雅, 兒玉了祐, D. Batani, J. Trela, P. Nicolai, D. Mancelli, G. Cristoforetti, 重森啓介
  • Organizer: 第37回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] 超高強度レーザー照射ナノワイヤーターゲットにおける超高エネルギー密度状態の生成と観測 (2020)
  • Author(s): 前田優斗
  • Organizer: レーザー学会学術講演会 第40回年次大会
• [Presentation] 直接照射型慣性学融合用ダイヤモンドカプセルの形態と表面粗さの合成条件への依存性 (2020)
  • Author(s): 岩崎稔広
  • Organizer: レーザー学会学術講演会 第40回年次大会
• [Presentation] The role of hot electrons on ultrahigh pressure generation relevant to shock ignition conditions (2019)
  • Author(s): K. Shigemori
  • Organizer: 3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The role of hot electrons on ultrahigh pressure generation relevant to shock ignition conditions (2019)
  • Author(s): K. Shigemori
  • Organizer: 11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Ultra-High Energy Density State with X-Ray Free Electron Laser SACLA (2019)
  • Author(s): Y. Maeda
  • Organizer: 11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Morphology and Surface Roughness on Growth Condition of Diamond Capsule for Direct-Drive Inertial Confinement Fusion (2019)
  • Author(s): T. Iwasaki
  • Organizer: 11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-Situ Observation of Crystal Structure Transitions of Austenitic Stainless Steel Under Shock Compression and Release Using X-Ray Free Electron Laser (2019)
  • Author(s): K. Miyanishi
  • Organizer: 11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Small angle X-Ray Scattering with Sub-Micron Rod-assembly Target at SACLA (2019)
  • Author(s): M. Ota
  • Organizer: 11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure and Distribution of Quenched High-Pressure Polymorph in Laser-Shocked Silica (2019)
  • Author(s): T. Kondo
  • Organizer: 11th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高強度レーザー照射ナノワイヤーターゲットにおける超高エネルギー密度状態の観測 (2019)
  • Author(s): 前田優斗
  • Organizer: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] X線自由電子レーザーSACLAによる超高エネルギー密度状態の生成と観測 (1) 研究の概要 (2019)
  • Author(s): 重森啓介, 宮西宏併, 前田優斗, 弘中陽一郎, 福山祐司, 藤原宇央, 加藤弘樹, 岩崎稔広, 坂和洋一, 泉智大, 江頭俊一, 千徳靖彦, 尾崎典雅, 松岡健之, 兒玉了祐, 染川智弘, 籔内俊毅, 末田敬一, 犬伏雄一, 富樫格, 今亮
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] X線自由電子レーザーSACLAによる超高エネルギー密度状態の生成と観測 (2) X線シャドウグラフ像の解析 (2019)
  • Author(s): 前田優斗, 宮西宏併, 弘中陽一郎, 福山祐司, 藤原宇央, 加藤弘樹, 岩崎稔広, 坂和洋一, 泉智大, 江頭俊一, 千徳靖彦, 尾崎典雅, 松岡健之, 兒玉了祐, 染川智弘, 籔内俊毅, 末田敬一, 犬伏雄一, 富樫格, 今亮, 重森啓介
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] X線自由電子レーザーSACLAによる超高エネルギー密度状態の生成と観測 (3)エネルギー吸収・輸送ダイナミクス (2019)
  • Author(s): 宮西宏併, 前田優斗, 弘中陽一郎, 福山祐司, 藤原宇央, 加藤弘樹, 岩崎稔広, 坂和洋一, 泉智大, 江頭俊一, 千徳靖彦, 尾崎典雅, 松岡健之, 兒玉了祐, 染川智弘, 籔内俊毅, 末田敬一, 犬伏雄一, 富樫格, 今亮, 重森啓介
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Observation of ultra-high energy density state in nanowire allay target with x-ray free electron laser SACLA (2018)
  • Author(s): Keisuke Shigemori, Kohei Miyanishi, Yuji Fukuyama, Neo Fujiwara, Yuto Maeda, Youichi Sakawa, Yoichiro Hironaka, Yasuhiko Sentoku, Takeshi Matusoka, Toshihiro Somekawa, Norimasa Ozaki, Ryosuke Kodama, Toshinori Yabuuchi, Akira Kon, Yuichi Inubuchi
  • Organizer: 60th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高圧力発生におけるレーザー・プラズマ相互作用による高速電子の寄与 (2018)
  • Author(s): 福山 祐司，重森 啓介， 弘中 陽一郎，宮西 宏併，加藤 弘樹，藤原 宇央，尾崎 典雅，松岡 健之，梅田 悠平，硲 峻，片桐 健登， 西川 豊人，細見 実，向井 啓一郎B，向井 幹二，上村 伸樹，寒河江 大輔，森岡 信太郎，李 昇浩，藤岡 慎介， 西村 博明，中井 光男，兒玉 了祐
  • Organizer: レーザー学会学術講演会 第38回年次大会
• [Presentation] Ultrahigh pressure generation with laser-produced hot electrons (2018)
  • Author(s): Keisuke Shigemori
  • Organizer: 14th Direct-Drive and Fast-Ignition Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高圧力発生におけるレーザー・プラズマ相互作用による高速電子の寄与 (2017)
  • Author(s): 福山 祐司，重森 啓介， 弘中 陽一郎，宮西 宏併，加藤 弘樹，藤原 宇央，尾崎 典雅，松岡 健之，梅田 悠平，硲 峻，片桐 健登， 西川 豊人，細見 実，向井 啓一郎B，向井 幹二，上村 伸樹，寒河江 大輔，森岡 信太郎，李 昇浩，藤岡 慎介， 西村 博明，中井 光男，兒玉 了祐
  • Organizer: Plasma Conference 2017