高エネルギー密度物質準安定相生成と凍結機構解明

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22224012
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 兒玉 了祐 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (80211902)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐野 智一 大阪大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (30314371) ; 荒河 一渡 島根大学, 総合理工学研究科, 准教授 (30294367) ; 尾崎 典雅 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教 (70432515)
• Keywords: 高エネルギー密度 / パワーレーザー / 高圧物性 / 新物質材料 / 準安定相

Research Abstract

研究の目的
高出力レーザーでテラパスカル以上の圧力を実現し、地上に存在していない高エネルギー密度状態のダイヤモンドを生成しその物性を明らかにする。さらに高エネルギー密度状態としてすでに取り出しに成功している金属シリコンをもとに、非平衡・超高圧状態で実現できる高エネルギー密度新物質準安定相の凍結機構を明らかにし、大気圧状態で安定な高エネルギー密度ダイヤモンドの可能性を探索する。
本年度(～平成24年3月31日)の成果
[高密度ダイヤモンドの生成]高密度ダイヤモンドを生成するための最適化と高圧ダイヤモンドの診断
・小さなレーザーエネルギーでより低温状態を保ちながら超高圧を実現する多重衝撃波圧縮法を波形整形されたレーザーパルスで行い0.8TPaを実現した。(当初計画から前倒し)
・ダイナミック診断システムにより高密度ダイヤモンドの状態をその場診断法で評価した。また周波数域干渉法(FDI)によりフェムト秒時間分解で圧縮過程・圧力解放過程に関する診断も開始した。さらにパワーレーザー圧縮で生成した液体金属炭素の状態をX線散乱計測により初めて明らかにした。(当初計画から前倒し)
[金属シリコン準安定相凍結評価]
・圧力負荷速度および解放速度が高圧相凍結性に及ぼす影響を調べるために、ナノ秒レーザーを用いて圧力負荷速度が疑静圧縮的である等エントロピー圧縮法によって高圧状態に達したシリコンを回収することに成功し非平衡圧縮により生成されたシリコンとの違いを明らかにした。
・また非平衡圧縮における圧力開放、冷却過程ダイナミック診断し高エネルギー密度物質凍結の詳細を明らかにすることを目的に23年度より利用可能なX線自由電子レーザーを用いたX線構造解析の準備実験を開始した。(当初計画から前倒し)
以上、23年度実施状況は、次年度以降の計画前倒しが可能なほど当初予定以上の成果が得られた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

海外のパワーレーザーを利用することで多段衝撃波圧縮法の実現と有効性を当初予定より早く実証できた。また液体金属炭素をレーザープラズマX線による散乱計測で診断することに成功したことで液体金属炭素の物性を当初予定より早く明らかにすることができた。さらにX線自由電子レーザー施設との連携でTWレーザーを整備することができ非平衡圧縮ダイナミックスのX線構造解析を行える環境が当初計画になく整得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

本計画は当初予定以上に進展できている。また新たにX線自由電子レーザーという世界競争力ある施設での展開の可能性が出てきた。さらに高圧理論シミュレーション、産業応用、惑星科学などの研究者との連携準備も整っている。このような状況において本予算で全てをカバーすることはできない。これらを考慮し、本計画を当初予定していた4年計画から3年で終了し総括すると共に、国際競争力あるX線自由電子レーザーを本格的に利用するなどして、本研究成果をさらに発展させることが望まれる。ポストダイヤモンドなど新物質創生のみならず産業応用、惑星科学などとも連携した研究開発を特別に推進できる計画に変更する必要がある。

Research Products

• [Journal Article] 赤外速度干渉計によるシリコン中を伝搬する衝撃波面直接観測 (2012)
  • Author(s): 横山尚也, 尾崎典雅, 佐野智一, 曽田智史, 木村友亮, 宮西宏併, 浅海雄人, 浦西宏幸, 佐野孝好, 坂和洋一, 廣瀬明夫, 児玉了祐
  • Journal Title: Plasma Fusion Res Volume: (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of High-Density Dislocations and Hardening in Femtosecond-Laser-Shocked Silico (2012)
  • Author(s): Masashi Tsujino, Tomokazu Sano, Tomo Ogura, Masayuki Okoshi, Narumi Inoue, Norimasa Ozaki, Ryosuke Kodama, Kojiro F.Kobayashi, Akio Hirose
  • Journal Title: Appl.Phys.Express Volume: Vol.5 Pages: 022703_1-022703_3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光を使った高エネルギー密度科学の展開 (2012)
  • Author(s): 児玉了祐
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: Vol.67, No.3 Pages: 156-163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature measurements of Electrostatic Shocks in laser-produced counter-streaming plasmas (2011)
  • Author(s): T.Morita, Y.Sakawa, Y.Kuramitsu, H.Tanji, H.Aoki, T.Ide, S.Shibata, N.Onishi, C.Gregory, A.Diziere, J.Waugh, N.Woolsey, Y.Sano, A.Shiroshita, K.Shigemori, N.Ozaki, T.Kimura, K.Miyanishi, R.Kodama, M.Koenig, H.Takabe
  • Journal Title: Astrophys Space Sci Volume: Vol.336, No.1 Pages: 283-286
  • DOI: 10.1007/s10509-010-0525-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of submicron metastable phase of silicon using femtosecond laser-driven shock wave (2011)
  • Author(s): Masashi Tsujino, Tomokazu Sano, Osami Sakata, Norimasa Ozaki, Shigeru Kimura, Shingo Takeda, Masayuki Okoshi, Narumi Inoue, Ryosuke Kodama, Kojiro F.Kobayashi, Akio Hirose
  • Journal Title: J.Appl.Phys. Volume: Vol.110, No.12 Pages: 126103_1-126103_3
  • DOI: 10.1007/s10509-010-0525-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Verification of Rate Equation for Recombination between Self-interstitial Atoms and Vacancies (in Japanese) (2011)
  • Author(s): Takafumi Amino, Kazuto Arakawa, Hirotaro Mori
  • Journal Title: J.Japan Inst.Metals Volume: Vol.75, No.8 Pages: 460-464
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reaction Rate between 1D migrating Self-Interstitial Atoms : An Examin ation by Kinetic Monte Carlo Simulation (2011)
  • Author(s): T.Amino, K.Arakawa, H.Mori
  • Journal Title: Philos.Mag. Volume: Vol.91, No.24 Pages: 3276-3289
  • DOI: 10.1080/14786435.2011.575411
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Collisionless shock generation in an extemal magnetic eld by using high-power laser system (2011)
  • Author(s): T.Morita, Y.Sakawa, Y.Kuramitsu, T.Ide, K.Nishio, M.Kuwada, H.Ide, K.Tsubouchi, H.Yoneda, A.Nishida, T.Namiki, H.Tanji, T.Norimatsu, K.tomita, K.Nakayama, K.Inoue, K.Uchino, C.Gregory, M.Nakatsutsumi, H.Nakatsutsumi, A.Pelka, A.Diziere, M.Koenig, K.Schaar, G.Gregory, S.Wang, D.Yuan, Q.Dong, H.Takabe
  • Organizer: Plasma Conference 2011
  • Place of Presentation: Kanazawa Japan
  • Year and Date: 2011-11-24
• [Presentation] Front Edge of High Energy Density Science with High Power Laser (2011)
  • Author(s): R.Kodama
  • Organizer: Plasma Conference 2011
  • Place of Presentation: Kanazawa JAPAN(基調講演)
  • Year and Date: 2011-11-23
• [Presentation] Collisionless shock experiments using high-power laser systems (2011)
  • Author(s): Y.Sakawa, Y.Kuramitsu, T.Morita, H.Tanji, T.Ide, K.Nishio, M.kuwada, K.Tsubouchi, H.Ide, S.Shimazaki, T.taguchi, T.Kato, N.Ohnishi, A.mizuta, T.Sano, T.Norimatsu, N.Ozaki, R.Kodama, A.Nishida, T.Namiki, H.Yoneda, K.Nakayama, K.Tomita, K.Uchino, S.Wang, Q.Dong, Y.Li, C.Gregory, N.Woolsey, K.Schaar, C.Murphy, G.Gregory, A.Diziere, A.Pelka, M.Koenig, H.Park, S.Ross, N.Kugland, D.Ryutov, B.Remington, A.Spitkovsky, D.Froula, H.Takabe
  • Organizer: Plasma Conference 2011
  • Place of Presentation: Kanazawa, Japan(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-23
• [Presentation] Exploring of Exotic High Energy Density States with High Power Laser (2011)
  • Author(s): R.Kodama
  • Organizer: Korea Physical Society Division of Plasma Physics (KPS-DPP)
  • Place of Presentation: Pusan Korea(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-20
• [Presentation] In-Situ Transmission Electron Microscopy Studies on the Dynamic Beha viors of Materials (2011)
  • Author(s): H.Mori, K.Arakawa, J.G Lee, C.L.Chen
  • Organizer: IEEE NMDC 2011
  • Place of Presentation: Jeju, Korea(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-18
• [Presentation] R & D on High Power Lasers in Osaka University and its Contribution to Sciences (2011)
  • Author(s): R.Kodama
  • Organizer: The 3^<rd> International Conference on Laser Peening and Related Phenomena
  • Place of Presentation: Osaka JAPAN(基調講演)
  • Year and Date: 2011-10-11
• [Presentation] パワーレーザー科学-高エネルギー密度科学- (2011)
  • Author(s): 児玉了祐
  • Organizer: 日本学術会議第2回先端フォトニクスシンポジウム
  • Place of Presentation: 日本学術会議第2回先端フォトニクスシンポジウム(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-07
• [Presentation] High-energy Electron Irradiation of Metals : Effects of High-Dose Rate and Properties of Single Point Defect (2011)
  • Author(s): K.Arakawa
  • Organizer: Workshop on Ion Implantation as a Neutron Irradiation Analogue
  • Place of Presentation: Oxford University, UK(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-26
• [Presentation] Cutting Edge of High Energy Density Sciences with High Power Laser (2011)
  • Author(s): R.Kodama
  • Organizer: Northeastern Asian Symposium on Plasma Fusion
  • Place of Presentation: Daejeon Korea(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-25
• [Presentation] Extreme Hugoniot/off-Hugoniot measurements for carbon and water with optical/x-ray diagnostics (2011)
  • Author(s): Norimasa Ozaki
  • Organizer: International Workshop on Warm Dense Matter-2011
  • Place of Presentation: California, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2011-06-08
• [Presentation] On the EOS of material relevant to planetary physics (2011)
  • Author(s): Norimasa Ozaki
  • Organizer: International Workshop on Warm Dense Matter-2011
  • Place of Presentation: the Asilomar Conference Grounds(Pacific Grove, USA)
  • Year and Date: 2011-06-08
• [Presentation] Frontiers of High Energy Density Sciences with High Power Laser (2011)
  • Author(s): R.Kodama
  • Organizer: International Symposium on Plasma Turbulence, Imaging, Synergy
  • Place of Presentation: Kyushu University(招待講演)
  • Year and Date: 2011-06-07