衝撃圧縮による金属化ダイヤモンドのナノ秒生成

• Project/Area Number: 21J10604
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 片桐 健登 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: ダイヤモンド / 超高圧 / 衝撃圧縮 / X線自由電子レーザー / 相転移 / 炭素 / 金属化 / 超高速変形

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、衝撃圧縮による金属化ダイヤモンドのナノ秒生成である。ハイパワーレーザーによりダイヤモンドを最大1,200 万気圧まで圧縮し、X線自由電子レーザーを用いたその場X線回折法による結晶構造の観察を行う。極限領域を生成するレーザー衝撃圧縮と高輝度短パルスのX線源であるX線自由電子レーザーを融合させる本研究手法は、他の圧縮法では到達不可能な超高圧力域における新物質や新構造の探索を行う先駆的なアプローチである。衝撃圧縮下における金属化ダイヤモンドの振る舞いを知ることで、物質科学や惑星科学、高エネルギー密度科学といった幅広い分野に横断した学術の展開が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ハイパワーレーザー照射により誘起された衝撃波を用いてダイヤモンドに高圧力を印加し、その際に発生する物性変化をその場観察した。はじめに可視光プローブ計測により、最大1600 GPaの超高圧力におけるダイヤモンドの圧縮率と光学特性の圧力依存性を評価した。これによりダイヤモンドは1200 GPaを超える圧力域において金属的な振る舞いを示すことが確認されたほか、ダイヤモンドの結晶粒径が衝撃圧縮状態の変化に与える影響は、より低圧の固体領域に限定されることを明らかにした。次に、X線自由電子レーザーを用いたフェムト秒X線回折計測を、80-700 GPaまで衝撃圧縮されたナノ多結晶ダイヤモンドで行った。これにより、衝撃圧縮下で発生する弾塑性変形を時間分解し、それらの変形に伴う歪みの異方性を定量的に評価した。また、700 GPaの高圧力下においてダイヤモンドが結晶構造変化を示さないことを明らかにした。本結果から、ダイヤモンドが金属的に振る舞う1200 GPa以上の圧力域におけるその場X線回折計測を行うには、X線自由電子レーザーに同期された30 Jレーザーではエネルギーが足りないという問題点も明らかになった。そこで、低密度フォームを材料に用いた圧力増幅レイヤーの開発を行なった。この圧力増幅レイヤーを衝撃圧縮試料のレーザー照射面に貼付して同じエネルギーのレーザー照射を試みたところ、既存の一般的なアブレーションレイヤーに比べて76%高い圧力増幅効果が得られることが分かった。この圧力増幅レイヤーを用いることで、30 J級レーザーであってもダイヤモンドが金属的に振る舞う1200 GPa以上の超高圧力を印加し、X線計測を行うことが可能であると見積もられる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stanford University(米国)
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Rostock(ドイツ)
• [Journal Article] Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction (2022)
  • Author(s): Z. He, M. Rodel, J. Lutgert, A. Bergermann, M. Bethkenhagen, D. Chekrygina, T. E. Cowan, A. Descamps, M. French, E. Galtier, A. E. Gleason, G. D. Glenn, S. H. Glenzer, Y. Inubushi, N. J. Hartley, J. Hernandez, B. Heuser, O. S. Humphries, N. Kamimura, K. Katagiri, D. Khaghani, et al.
  • Journal Title: Science Advances Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hugoniot equation-of-state and structure of laser-shocked polyimide C22H10N2O5 (2022)
  • Author(s): K. Katagiri, N. Ozaki, D. Murayama, K. Nonaka, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Miyanishi, H. Nakamura, T. Okuchi, T. Sano, Y. Seto, K. Shigemori, K. Sueda, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 105 Issue: 5 Pages: 054103-054103
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.054103
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hugoniot and released state of calcite above200GPa with implications for hypervelocity planetary impacts (2022)
  • Author(s): Yuhei Umeda, Keiya Fukui, Toshimori Sekine, Marco Guarguaglin, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Nobuki Kamimura, Kento Katagiri, Ryosuke Kodama, Takeshi Matsuoka, Kohei Miyanishi, Alessandra Ravasio, Takayoshi Sano, Norimasa Ozaki
  • Journal Title: Icarus Volume: 377 Pages: 114901-114901
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114901
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shock Hugoniot Data for Water up to 5 Mbar Obtained with Quartz Standard at High-Energy Laser Facilities (2021)
  • Author(s): Mancelli D.、Errea I.、Tentori A.、Turianska O.、Larreur H.、Katagiri K.、Ozaki N.、Kamimura N.、Kamibayashi D.、Ishida K.、Ogura H.、Kawasaki K.、Maeda Y.、Hironaka Y.、Shigemori K.、Batani K.、Schaumann G.、Rosmej O.、Neumayer P.、Zielbauer B.、Martynenko A. S.、Filippov E. D.、Pikuz S.、Batani D.
  • Journal Title: Laser and Particle Beams Volume: 2021 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1155/2021/4141522
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure amplification effect of using resorcinol/formaldehyde foam ablators in laser-shock experiments (2021)
  • Author(s): Kento Katagiri, Norimasa Ozaki, Kohei Yamanoi, Takayoshi Sano, Ryosuke Kodama
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 28(7) Issue: 7 Pages: 072705-072705
  • DOI: 10.1063/5.0048651
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast olivine-ringwoodite transformation during shock compression (2021)
  • Author(s): T. Okuchi, Y. Seto, N. Tomioka, T. Matsuoka, B. Albertazzi, N. J. Hartley, Y. Inubushi, K. Katagiri, R. Kodama, T. A. Pikuz, N. Purevjav, K. Miyanishi, T. Sato, T. Sekine, K. Sueda, K. A. Tanaka, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, T. Yabuuchi, M. Yabashi, N. Ozaki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4305-4305
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24633-4
  • NAID: 120007141957
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Micron-scale phenomena observed in a turbulent laser-produced plasma (2021)
  • Author(s): Rigon G.、Albertazzi B.、Pikuz T.、Mabey P.、Bouffetier V.、Ozaki N.、Vinci T.、Barbato F.、Falize E.、Inubushi Y.、Kamimura N.、Katagiri K.、Makarov S.、Manuel M. J.-E.、Miyanishi K.、Pikuz S.、Poujade O.、Sueda K.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Gregori G.、Kodama R.、Casner A.、Koenig M.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22891-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray radiography based on the phase-contrast imaging with using LiF detector (2021)
  • Author(s): Makarov S S、Pikuz T A、Buzmakov A V、Chernyaev A P、Mabey P、Vinci T、Rigon G、Albertazzi B、Casner A、Bouffetier V、Kodama R、Katagiri K、Kamimura N、Umeda Y、Ozaki N、Falize E、Poujade O、Togashi T、Yabashi M、Yabuuchi T、Inubushi Y、Miyanishi K、Sueda K、Manuel M、Gregori G、Koenig M、Pikuz S A
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1787 Issue: 1 Pages: 012027-012027
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1787/1/012027
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Liquid Structure of Tantalum under Internal Negative Pressure (2021)
  • Author(s): K. Katagiri, N. Ozaki, S. Ohmura, B. Albertazzi, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Ishida, M. Koenig, K. Miyanishi, H. Nakamura, M. Nishikino, T. Okuchi, T. Sato, Y. Seto, K.Shigemori, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 126 Issue: 17 Pages: 175503-175503
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.175503
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Hugoniot Equation-of-State of Polyimide up to 600 GPa (2022)
  • Author(s): Kento Katagiri
  • Organizer: The International Conference on Matter and Radiation at Extremes 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] In-situ X-ray diffraction of shock-released tantalum (2022)
  • Author(s): K. Katagiri, N. Ozaki, S. Ohmura, B. Albertazzi, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Ishida, M. Koenig, K. Miyanishi, H. Nakamura, M. Nishikino, T. Okuchi, T. Sato, Y. Seto, K. Shigemori, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, R. Kodama
  • Organizer: OPTICS & PHOTONICS International Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In situ X-ray Diffraction of Shock-Compressed Nanopolycrystalline Diamond (2022)
  • Author(s): K. Katagiri, N. Ozaki, L. Dresselhaus-Marais, J. Eggert, Y. Inubushi, T. Irifune, M. Koenig, T. Matsuoka, K. Miyanishi, H. Nakamura, N. Nishiyama, T. Sekine, Y. Seto, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • Organizer: APS March Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Liquid structure of tantalum under internal negative pressure observed by in-situ X-ray diffraction (2021)
  • Author(s): K. Katagiri
  • Organizer: Matter in Extreme Conditions from MATerial science to PLAnetary physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser-shock compression of full density nano-polycrystalline diamond (2021)
  • Author(s): K. Katagiri, N. Ozaki, Y. Umeda, T. Irifune, N. Kamimura, K. Miyanishi, T. Sano, T. Sekine, and R. Kodama
  • Organizer: 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多結晶タンタルの衝撃圧縮および解放状態における液体構造の観察 (2021)
  • Author(s): 片桐健登
  • Organizer: 第62回高圧討論会
• [Presentation] X 線自由電子レーザーによるナノ多結晶ダイヤモンド 超高速変形のその場観察 (2021)
  • Author(s): 片桐健登，尾崎典雅，L. Dresselhaus-Marais，J. Eggert, 犬伏雄一，松岡健之，宮西宏併, 西山宣正，末田敬一, 関根利守，瀬戸雄介，丹下慶範，入舩徹男，富樫格，梅田悠平，矢橋牧名，籔内俊毅，兒玉了祐
  • Organizer: 第62回高圧討論会
• [Presentation] Measurement of Hugoniot elastic limit of nano-polycrystalline diamond (NPD) (2021)
  • Author(s): 片桐健登，尾崎典雅, 佐野孝好, 兒玉了祐
  • Organizer: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム OPTO2021
• [Remarks] Kento Katagiri
  • URL: https://sites.google.com/view/kentokatagiri/publications