Direct observation of structures of super-dense carbon

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K21866
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Ozaki Norimasa 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70432515)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西山 宣正 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特定准教授 (10452682)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: ポストダイヤモンド / 炭素 / 超高圧 / 高強度レーザ / X線自由電子レーザー

Outline of Final Research Achievements

Studies combining X-ray free-electron laser and high-power optical laser allows us to investigate the structure and properties of diamond under extreme conditions. Using the unique experimental platforms developed by the principal investigator, ultrafast pump-probe experiments were conducted. Diamond samples were shock-compressed and were directly observed under the shock compression conditions. We for the first time revealed and discussed the followings on diamond; the elastic limit stress and nano-polycrystalline grain boundary effect, shock compression adiabat (Hugoniot), phase stability pressure and temperature range, elastic-plastic transition path under ultrafast deformation, refractive index and absorption coefficient under shock compression, and molecular dissociation and diamond formation in shocked hydrocarbons.

Free Research Field

プラズマ学およびその関連分野

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで第一原理計算手法によってのみ検討されてきた物質の新しい姿・複雑性を、ハイパワーレーザーとXFELを結合させて実験的に明らかにすることは、量子力学に基づく物質の記述を高密度高温の世界に大きく拡張しようとすることに相当する。超高圧高密度での実験と理論計算を比較可能にすることは、新構造や新物質の探索や、高温超伝導相や高エネルギー材料の振舞いの予測を確かなものにする。多様な系外固体惑星の内部構造や、核融合超高密度プラズマの振舞いを知る上でも決定的に重要である。常に注目される「炭素」の新たな超高密度の形態の探索に繋がる意義のある研究であり成果である。