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衝撃圧縮による金属化ダイヤモンドのナノ秒生成

Research Project

Project/Area Number 21J10604
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research InstitutionOsaka 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 *help
¥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。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 4 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

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      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: -

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      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

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      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

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      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

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      Kento Katagiri, Norimasa Ozaki, Kohei Yamanoi, Takayoshi Sano, Ryosuke Kodama
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      Physics of Plasmas

      Volume: 28(7) Issue: 7 Pages: 072705-072705

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      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
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      Nature Communications

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4305-4305

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24633-4

    • NAID

      120007141957

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      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

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      10.1038/s41467-021-22891-w

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      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

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      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

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  • [Remarks] Kento Katagiri

    • URL

      https://sites.google.com/view/kentokatagiri/publications

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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