2021 Fiscal Year Annual Research Report
Determination of the phase diagram of liquid hydrogen and constraints on the interior of Jupiter
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20J21098
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡 健太 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 金属水素 / 高圧実験 / ダイヤモンドアンビルセル / 木星 / 水素貯蔵材料 / 電気抵抗測定 / X線回折 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
木星や土星といった巨大ガス惑星の内部では、ある深さで惑星の主成分である液体水素が金属化し、上層で混じり合っていた水素とヘリウムが分離し始めると考えられている。この「水素の金属化」現象が起きる圧力-温度条件を知ることは、巨大ガス惑星の内部構造や形成過程を知る上で重要である。水素の金属化が予想されている温度圧力領域は100万気圧/1500 K程度である。本年度は、この条件下で水素の電気抵抗測定実験を行うために、主に2つの技術開発を行った。
1つ目は、水素を高圧装置内に封止するための技術開発である。水素は常圧では流体であるため、高圧装置への充填時に外へ漏れ出てしまい、十分な試料体積を確保することが難しい。また、反応性・拡散性が非常に高く、特に高温では水素が試料室からガスケットや高圧装置内へ逃げてしまう。これらの問題を解決するため、固形の水素貯蔵材料を試料として用いる方法を採り入れた。水素貯蔵材料の中には、高圧高温下で水素と絶縁物質とに分離するものがあり、そうした材料から圧縮後に水素を吐き出させることで、高圧下でも電気抵抗測定を行うのに十分な量の水素を確保することが可能になった。
2つ目は、1000Kを超える高温領域での電気抵抗測定技術の開発である。前年度までに開発した外部抵抗加熱技術では、10万気圧/650 Kまでしか水素の電気抵抗を測定することができなかった。そこで本年度は、高圧科学分野で従来困難とされてきた「レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル（LH-DAC）による透明試料の電気抵抗測定技術」の開発に取り組んだ。この新技術により、測定可能な温度・圧力領域を大幅に拡張し、60万気圧/1600 Kまでの水素の電気抵抗率を測定することに成功した。
上記の測定手法をより高温・高圧領域に拡張することは従来の技術で十分可能であり、目標とする「水素の金属化」を観察することができると期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の立案当初の計画では、本年度中に100万気圧/2000 Kの温度圧力を実現し、水素の金属化を電気抵抗測定・光学的測定により観察する予定であった。この計画と比べると、現状は半年程度遅れていると評価する。
遅れの主な原因は、計画立案時に水素の取り扱いの難しさ（上述した、常圧での流体としての性質や高圧での拡散性、圧縮性の高さなど）が研究遂行に及ぼす影響を過小評価していたことが考えられる。上述の水素貯蔵材料を用いる解決策を本年度の夏に思いつくまで、多くの時間をこの問題の解決に充てなければならなかった。一方で、高圧科学分野の古くからの問題であったこれらの問題を、本年度までにほとんどを解決できたことは非常に大きな成果であったと考えられる。
また高温発生技術について、研究計画立案当初に想定していた、内部抵抗加熱式DACを用いる方法は、電気抵抗測定と併せて行うことが難しいと判断して、本年度はレーザー加熱式DACを用いた開発を行った。現時点の到達温度は1600 Kであり、計画の2000 Kに対して8割程度である。手法開発を進める中で、温度は圧力に比べて容易に拡張できるとの実感を得ており、この部分は早期に計画にキャッチアップできると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、上述したサンプル準備・電気抵抗測定の技術を用いて、水素の金属化現象を観察することを目標とする。金属化現象が起きるとされる100万気圧以上の圧力を達成するためには、加圧面積を100um程度まで小さくした、超高圧実験用のダイヤモンドアンビルセルを用いる必要がある。
また、本年度までに行った技術開発について、国際誌・国際学会への投稿準備を進める。特に、本年度に開発に成功した「レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル（LH-DAC）による透明試料の電気抵抗測定技術」は、水素のみならず、あらゆる透明鉱物を対象とした研究に応用可能であり、地球惑星科学・材料科学の発展に対する寄与が非常に大きいと考えている。
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