2022 Fiscal Year Research-status Report

高強度磁場で支配されるレーザー駆動の極限状態の生成と新機能の創出

Research Project

Project/Area Number	22K14019
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	松井隆太郎京都大学, エネルギー科学研究科, 助教 (70870476)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	高エネルギー密度プラズマ / 高強度レーザー照射実験 / ターゲット作製
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題は、集光強度が10^{20-22} W/cm^{2} の高強度レーザーと物質との相互作用において、ナノ工学・リソグラフィー技術によるサブマイクロメートルオーダの微細構造を付与した物質を用いることで、圧力が数M～数10 Gbar(気圧)の高エネルギー密度プラズマを生成するとともに、この過程で現出するTV/mオーダの強電場と kTオーダの強磁場を制御することでプラズマに自己組織化機能を発現できるとの着想に基づき、微細構造を適切に選択することで、慣性時間を超えてプラズマを長時間“閉じ込める”方法論を開拓することを目的とする。今年度は、これまで培った電子線リソグラフィーとプラズマエッチング技術の進展を背景に、直径100nmオーダの微小サイズの高アスペクト比（高さ／直径～50）のロッド集合体の開発を行うとともに、これまでの格子状の構造から、レーザーとの相互作用過程において高強度の磁場生成に有利な空間充填率に一定に保ったランダムな構造を有するロッド集合体を作製した。また、レーザー光を閉じ込めるメタマテリアルの概念を導入することにより、磁場生成の起源である電流を長時間維持する加速器様の機能を有する構造体の作製に成功した。また、作製した構造性媒質を用いたレーザー照射実験の環境整備（光学系の構築・観測機器の作製と設置）を実施した。具体的には、レーザー光を直径数マイクロメートルにまで集光させ、安定した照射実験が可能となるよう、ビームパターンの調整手法を修得した。さらに、プラズマの電子温度とエネルギーを計測するための電子スペクトルメータを作製し、複数回の予備実験により安定して動作することを確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究課題では、直径サブマイクロメートル、高さ数10マイクロメートルオーダでの璃々コンロッドが多数配列したロッド集合体に、集光強度が10^{19-22} W/cm^{2}領域の高強度レーザーを照射することで、準定常(ピコーナノ秒)高強度磁場(数10-100 kT)を生成させるための理論構築と実験による実証を目的としている。これらの当初目的のうち、2022年度は以下の3つの課題に着手し、比較的順調に達成できたと判断した。粒子シミュレーション：：ロッド集合体と高強度レーザーの相互作用を模擬した大規模粒子シミュレーション(二次元・三次元)を実施し、電流回路および準定常強磁場が生成するパラメータ領域(ロッドの直径、高さ、ロッド間隔、空間配置(格子状・ランダムなど)、レーザーの集光強度)を明らかにした。また、粒子のイオン化・衝突緩和過程を取り入れた計算を実施するため、コードの改良を合わせて実施した。ターゲット作製：電子線リソグラフィー、およびプラズマエッチングを含む最新の半導体製造技術を用いて、高アスペクト比（ロッド高さ／ロッド径～50-100）のロッド集合体の作製を実施した。その際、レーザーの集光径（3-4マイクロメートル）および照射位置を正確に調整するための構造物を合わせて作製して、精緻なレーザー照射実験を実施する環境を整えた。レーザー照射実験の準備：レーザー照射によるプラズマの状態を理解する手段として、電子のエネルギーを高精度に計測可能な電子スペクトルメータを作製した。また、これを実際の実験チャンバーに設置し、予備実験により電子エネルギーが正しく計測可能であることを確認した。さらに、光学系を整備してレーザーの照射配位を決定し、集光強度が10^{19}W/cm^{2}領域の照射実験が安定して実施可能である環境を構築した。
Strategy for Future Research Activity	2023年度は、2022年度の研究において技術を確立させた高アスペクト比のシリコンロッド集合体の作製技術と、レーザー照射実験の環境整備（光学系と電子エネルギー計測機器の設置）を基にして、ロッド集合体と高強度レーザーとの相互作用に関するレーザー照射実験を実施する。具体的には、年次計画に沿って、以下の項目を実施する。 i)ターゲットの作製とレーザー照射実験の実施：2022年度の予備実験において、高強度レーザーを物質に照射した場合、物質を適切な方法で固定しなければ一度の照射で大きく破損することが分かった。実験結果の解析にあたっては、同一のレーザー条件で繰り返し照射を行い、複数の照射結果データを取得する必要がある。これを踏まえて、2022年度で確立させた高アスペクト比のロッド集合体の作製技術を基に、これらを実際のレーザー照射実験に適した形で配置する方法を検討する。その上で、レーザー照射実験を実施し、十分なショット数によりデータを取得し、2022年度の研究で得られた仮説「ロッドの微細構造を調整することでプラズマの電子温度が制御可能である」を検証する。 ii)計測機器の開発：実際のレーザープラズマ相互作用において生じる物理現象を同定するには、2022年度に確立させた電子温度の計測手法に加え、イオンエネルギーの計測、光干渉のメカニズムを利用したプラズマ密度計測、電磁場の強度計測などを実施して、物理現象に付随する数多くの物理量を観測・解析する必要がある。これらのうち、2023年度は「イオン計測」を目的としたトムソンパラボラの開発、「プラズマ密度計測」を目的としたプラズマバックライト・干渉計の設置を実施し、2024年度以降の電磁場の強度計測目標とする最終実験に備える予定である。