電子運動に駆動される磁気リコネクションの微視的物理過程と電磁場構造に関する研究

• Project/Area Number: 22KJ2061
• Project/Area Number (Other): 21J20499 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 境 健太郎 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: レーザー / プラズマ / 実験室宇宙物理 / 磁気リコネクション

Outline of Research at the Start

磁気リコネクションにおける電子ダイナミクスの理解のため、高出力レーザーを用いた模擬実験を行う。微視的な電子・イオンの運動を協同トムソン散乱を用いて計測し、反平行な磁場配位に対応する電流シート、リコネクションの結果生じたアウトフロー等をとらえる。イオンビームを用いた電磁場のイメージング計測により巨視的な磁場トポロジーの時間的変化をとらえる。磁気プローブによりリコネクションの結果生じたプラズモイドや電子スケールの電磁場揺動を測る。これらによって、微視的な電子のダイナミクスが巨視的な磁気リコネクションを駆動することを実験的に明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

電子運動に駆動される磁気リコネクションの局所的な流れ場・電磁場の計測を行った。協同トムソン散乱を用いて局所的な電子・イオンの速度の空間分布を測ったところ、イオンの運動は変化しない一方で電子は電子Alfven速度程度で分離していく構造を持つことが分かった。これは磁気リコネクションにおける電子のアウトフローだと考えられる。磁気プローブを用いてリコネクション領域から離れた位置の磁場を計測すると、磁気リコネクションの結果生じたプラズモイドの伝播だと考えられる磁場の時間的な反転と、電子スケールの波動であるwhistler波を検出した。微視的な粒子の運動と電磁場構造を計測することで、磁気リコネクションが電子のスケールで起きていることが明らかになり、先行研究 [Y. Kuramitsu et al., Nat. Commun. (2018)] で示した電子Alfven速度程度で分離するプラズマの構造が電子の運動に対応していることが分かった。
また、高強度レーザーを用いて生成した非平衡プラズマの散乱光のスペクトルを計測する実験を行った。関西光科学研究所のJ-KARENレーザーを用いて生成したプラズマからの散乱光をイメージング計測することで空間分布を、分光計測することで波長スペクトルを取得した。メインパルスの到達前にターゲットと相互作用する比較的弱い光であるプレパルスの強度を変化させることで、メインパルスと相互作用する時点でのプラズマの状態を変化させて空間分布・スペクトルの比較を行った。イメージング計測の結果、プレパルスが弱い場合レーザー集光位置において散乱光が強いことが分かった。波長スペクトルには周期的に波打つような構造が存在することを確認した。波長スペクトルの形状についてシミュレーションを用いて検証を行っていく。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の目的であった、磁気リコネクション中のミクロな電子・イオンの運動およびリコネクションに付随する磁場構造・波動を検出することに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

高強度レーザーを用いて生成した非平衡プラズマからの散乱光のスペクトルについて粒子シミュレーションを用いて研究する。これまで行ってきた集光オプティクスの異なる2種類の実験で観測された波長領域の周期的構造の起源を統一的に理解することを目標とする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 台湾、国立中央大学/台湾、国立台湾大学/台湾、国立成功大学(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research] Ecole Polytechnique(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of York(英国)
• [Int'l Joint Research] Masaryk University(チェコ)
• [Int'l Joint Research] 台湾国立中央大学(その他の国・地域)
• [Journal Article] Ion-acoustic feature of collective Thomson scattering in non-equilibrium two-stream plasmas (2023)
  • Author(s): Sakai K.、Nishimoto T.、Isayama S.、Matsukiyo S.、Kuramitsu Y.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 30 Issue: 1 Pages: 012105-012105
  • DOI: 10.1063/5.0117812
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct observations of pure electron outflow in magnetic reconnection (2022)
  • Author(s): Sakai K.、Moritaka T.、Morita T.、Tomita K.、Minami T.、Nishimoto T.、Egashira S.、Ota M.、Sakawa Y.、Ozaki N.、Kodama R.、Kojima T.、Takezaki T.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Koenig M.、Albertazzi B.、Mabey P.、Woolsey N.、Matsukiyo S.、Takabe H.、Hoshino M.、Kuramitsu Y.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14582-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-power laser experiment on developing supercritical shock propagating in homogeneously magnetized plasma of ambient gas origin (2022)
  • Author(s): S. Matsukiyo,R. Yamazaki T. Morita K. Tomita,Y. Kuramitsu ,T. Sano S. J. Tanaka ,T. Takezaki,Y. Horie, S. Sei K. Sugiyama, K. AiharaS. Kambayashi,M. Ota,S. Egashira,T. Izumi,T. Minami,Y. Nakagawa, K. Sakai,M. Iwamoto,N. Ozaki Y. Sakawa他
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 106 Issue: 2 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1103/physreve.106.025205
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of current-sheet and bipolar ion flows in a self-generated antiparallel magnetic field of laser-produced plasmas for magnetic reconnection research (2022)
  • Author(s): Morita T.、Kojima T.、Matsuo S.、Matsukiyo S.、Isayama S.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Sato Y.、Shiota J.、Pan Y.、Tomita K.、Takezaki T.、Kuramitsu Y.、Sakai K.、Egashira S.、Ishihara H.、Kuramoto O.、Matsumoto Y.、Maeda K.、Sakawa Y.
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 106 Issue: 5 Pages: 055207-055207
  • DOI: 10.1103/physreve.106.055207
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 多段シンチレータを用いた多核種GeVイオン計測器の開発 －レーザーイオン加速実験における活用とその展望－ (2022)
  • Author(s): 南卓海、時安敦史、郡英輝、安部勇輝、岩崎滉、田口智也、小田和昌、鈴木蒼一郎、浅井孝文、境健太郎、姫野公輔、田中周太、諌山翔伍、金崎真聡、小平聡、福田祐仁、蔵満康浩
  • Journal Title: ESI－NEWS Volume: 40 Pages: 4-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-power laser experiment forming a supercritical collisionless shock in a magnetized uniform plasma at rest (2022)
  • Author(s): Yamazaki R.、Matsukiyo S.、Morita T.、Tanaka S. J.、Umeda T. et al. (54 authors)
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 105 Issue: 2 Pages: 025203-025203
  • DOI: 10.1103/physreve.105.025203
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Robustness of large‐area suspended graphene under interaction with intense laser (2022)
  • Author(s): Y. Kuramitsu, T. Minami, T. Hihara, K. Sakai, T. Nishimoto, S. Isayama, Y.T. Liao, K.T. Wu, W.Y. Woon, S.H. Chen, Y.L. Liu, S.M. He, C Y. Su, M. Ota, S. Egashira, A. Morace, Y. Sakawa, H. Habara, R. Kodama, L.N.K. Dohl, N. Woolsey, M. Koenig, M. Kanasaki, T. Asai, T. Yamauchi, K. Oda, Ko. Kondo, H. Kiriyama, Y. Fukuda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2346-2346
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06055-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 激光XII号レーザーを用いた磁気リコネクション実験における純粋な電子アウトフロー計測 (2023)
  • Author(s): 境健太郎
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [Presentation] Local measurements of laser-driven electron-scale magnetic reconnection (2022)
  • Author(s): K. Sakai
  • Organizer: 13th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic reconnection driven by electron dynamics in laser produced plasmas (2022)
  • Author(s): K. Sakai
  • Organizer: 7th Workshop on Magnetic Fields in Laboratory High Energy Density Plasmas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thomson scattering measurements in electron-scale magnetic reconnection using high power laser (2022)
  • Author(s): K. Sakai
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Global and local observations of electron outflow in magnetic reconnection using high power laser (2022)
  • Author(s): K. Sakai
  • Organizer: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [Presentation] Local measurements of magnetic reconnection driven by electron dynamics in GEKKO XII laser facility (2022)
  • Author(s): K. Sakai
  • Organizer: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] Collective Thomson scattering analysis with Markov chain Monte Carlo (2021)
  • Author(s): Kentaro Sakai
  • Organizer: 1st Workshop on Artificial Intelligence in Plasma Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collective Thomson scattering as a diagnostics for non-equilibrium plasmas (2021)
  • Author(s): K. Sakai, S. Isayama, T. Morita, S. Matsukiyo, Y. Kuramitsu
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic field measurements in electron-scale magnetic reconnection using high power laser (2021)
  • Author(s): Kentaro Sakai, Takumi Minami, Takahiro Nishimoto, Youichi Sakawa, Shunsuke Egashira, Masato Ota, Taichi Morita, Shuichi Matsukiyo, Takuto Kojima, Ryo Yamazaki, Kento Aihara, Kentaro Tomita, Taichi Takezaki, Toseo Moritaka, Yasuhiro Kuramitsu
  • Organizer: 日本物理学会2021 年秋季大会
• [Presentation] Experimental investigation on electron scale magnetic reconnection with high-power laser (2021)
  • Author(s): K. Sakai
  • Organizer: OPTO 2021 Symposium on Photon and Beam Science