Spectroscopic observation of planetary materials under shock compression using an X-ray free electron laser

• Project/Area Number: 22KF0243
• Project/Area Number (Other): 22F22707 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 尾崎 典雅 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (70432515)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): AMOURETTI ALEXIS 大阪大学, 大学院工学研究科, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: X線分光 / 相転移 / 衝撃圧縮 / 惑星物質 / ハイパワーレーザー / X線自由電子レーザー / レーザーショック / スピン相転移 / 酸化鉄 / X線発光分光 / 下部マントル / 超高圧

Outline of Research at the Start

超高圧や超高温の極限環境における物質の状態や振る舞いは、さまざまな科学分野の重要な興味の対象である。ハイパワーレーザーの照射によ って駆動される超高圧下で、物質の結晶構造変化と電子状態との関係を、最先端量子ビームであるX線自由電子レーザープローブを用いて明らかにする。独自に確立してきたレーザー超高圧研究のプラットフォームにおいて、フェムト秒時間分解の硬X線分光診断ツールを新たに開発整備する。X線発光分光やX線非弾性散乱分光により、数100 GPaレベル超高圧下での構造と電子状態変化のシーケンスや、金属化など化学結合状態の変化を直接観察する。

Outline of Annual Research Achievements

X線自由電子レーザー（XFEL）を利用したX線発光分光診断と、X線回折および速度干渉計計測を組み合わせた統合実験を実施した。独自に合成・作成した惑星物質FeOやFe2O3などの鉄酸化物ターゲットに関して、シングルショットベースのX線発光分光データを初めて取得した。

ハイパワーレーザーのエネルギー密度を2e13 W/cm2程度まで変化させた条件で、約250万気圧までの固体および液体の衝撃超高圧状態を生成した。衝撃圧縮用レーザーのパルス幅は5 ns、集光照射スポットサイズはターゲット表面で直径170もしくは260ミクロンであった。X線発光を誘起するX線自由電子レーザーパルスの光子エネルギーは約9　keV、パルス幅は10 fs、集光スポットサイズ直径は約30ミクロンであった。異なる観測角度の2台の分光診断システムを同時に稼働して、レーザー衝撃圧縮下の鉄k-alpha線およびk-beta線近傍の振る舞いを観察し、電子スピン状態の変化を表すショルダーパターンが現れることがわかった。ショックドライブレーザーのエネルギー安定性や、データバックグラウンドノイズの問題を改善し、シングルショットで高SN比の有意な信号を得ることができた。今後の結晶分光システムの改善に有益な情報が得られた。

レーザー超高圧に伴う結晶構造変化は、同じXFELパルスを用いた独立のフェムト秒X線回折によって明らかにした。また線結像速度干渉計(VISAR)観察も同時に行い、衝撃波の到達時刻とその圧力を正確にモニターした 。超高速分光診断の新しい実験プラットフォームに関する技術的知見を十分に蓄積できた。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ソルボンヌ大学/エコールポリテクニーク/欧州放射光施設(フランス)
• [Int'l Joint Research] オックスフォード大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ロストック大学/欧州XFEL(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学/ローレンスリバモア研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] ソルボンヌ大学/エコールポリテクニーク(フランス)
• [Journal Article] Optical characterization of lithium fluoride thin-film imaging detectors for monochromatic hard X-rays (2023)
  • Author(s): Vincenti M.A.、Montereali R.M.、Nichelatti E.、Nigro V.、Piccinini M.、Koenig M.、Mabey P.、Rigon G.、Dabrowski H.J.、Benkadoum Y.、Mercere P.、Da Silva P.、Pikuz T.、Ozaki N.、Makarov S.、Pikuz S.、Albertazzi B.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 18 Issue: 04 Pages: C04012-C04012
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/04/c04012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visible Radiophotoluminescence of Color Centers in Lithium Fluoride Thin Films for High Spatial Resolution Imaging Detectors for Hard X-rays (2023)
  • Author(s): Vincenti Maria Aurora、Nichelatti Enrico、Nigro Valentina、Piccinini Massimo、Albertazzi Bruno、Benkadoum Yaniss、Dabrowski Hannibal、Koenig Michel、Rigon Gabriel、Mabey Paul、Mercere Pascal、Da Silva Paulo、Pikuz Tatiana、Ozaki Norimasa、Filippov Evgeny、Makarov Sergey、Pikuz Sergey、Montereali Rosa Maria
  • Journal Title: ECS Journal of Solid State Science and Technology Volume: 12 Issue: 6 Pages: 066008-066008
  • DOI: 10.1149/2162-8777/acdd9b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Damage threshold of LiF crystal irradiated by femtosecond hard XFEL pulse sequence (2023)
  • Author(s): S. Makarov, S.Grigoryev, N.Inogamov, E. Filippov, T. Pikuz, N.Ozaki, M.Ishino, M. Nishikino, Thanh-Hung Dinh, T. Kawachi, M. Zanaveskin, M. Makita, M. Nakatsutsumi, T. R. Preston, K. Appel, Z.Konopkova,
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 16 Pages: 26383-26383
  • DOI: 10.1364/oe.486868
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct imaging of shock wave splitting in diamond at Mbar pressure (2023)
  • Author(s): S. Makarov, S. Dyachkov, T. Pikuz, K. Katagiri, H. Nakamura, ...T. Togashi, M. Yabashi, T. Yabuuchi, T. Okuchi, R. Kodama, S. Pikuz, M. Koenig, N. Ozaki
  • Journal Title: Matter and Radiation at Extremes Volume: 8 Issue: 6 Pages: 066601-066601
  • DOI: 10.1063/5.0156681
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct imaging of shock wave splitting in diamond at Mbar pressure (2023)
  • Author(s): S.Makarov,S.Dyachkov,T.Pikuz,K. Katagiri ,H. Nakamura,V.Zhakhovsky,N.Inogamov,V.Khokhlov,A.Martynenko,B.Albertazzi,G.Rigon,P.Mabey,N.J.Hartley,Y.Inubushi,K.Miyanishi,K.Sueda,T.Togashi,M.Yabashi,T.Yabuuchi,T.Okuchi,R.Kodama,S.Pikuz,M.Koenig,N. Ozaki
  • Journal Title: Matter and Radiation at Extremes Volume: 8 Issue: 6666 Pages: 066601-066601
  • DOI: 10.1126/science.adh5563
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Martensite transformation triggered with intense THz pulses (2023)
  • Author(s): Nagai Masaya、Higashitani Yuhei、Ashida Masaaki、Kusakabe Koichi、Niioka Hirohiko、Hattori Azusa N.、Tanaka Hidekazu、Isoyama Goro、Ozaki Norimasa
  • Journal Title: 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) Confererence Paper Volume: 1 Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1038/s41598-023-35526-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simultaneous bright- and dark-field X-ray microscopy at X-ray free electron lasers (2023)
  • Author(s): Dresselhaus-Marais Leora E.、Howard Marylesa、Katagiri Kento、Kim Seonghan、Kim Sunam、Kim Sungwon、Kim Hyunjung、Knudsen Erik Bergback、Kuschel Stephan、Lee Hae Ja、Lin Chuanlong、McWilliams R. Stewart、Nagler Bob、Nielsen Martin Meedom、Ozaki Norimasa、Pal Dayeeta、Pablo Pedro Ricardo、
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 20 Pages: 175731-19
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ad2796
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] XFELを用いた層状物質の構造変化シーケンス観察 (2024)
  • Author(s): 尾崎 典雅、野中 敬太、坂口 怜生、高木 壮大、片桐 健登、中村 浩隆、弘中 陽一郎、兒玉 了祐、宮西 宏併、末田 敬一、矢橋 牧名,、籔内 俊毅
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
• [Presentation] XFELラジオグラフィによるボイドを伴う不均質試料中の衝撃波伝播直接観察 (2024)
  • Author(s): 政岡 豪流、Tatiana Pikuz、山本 直尚、兒玉 了介,、中村 浩隆、宮西 宏併、末田 敬一、籔内 俊毅、矢橋 牧名、尾崎 典雅
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
• [Presentation] Study of magnetized solids/plasmas in the near and above high energy density regime (2024)
  • Author(s): 尾崎典雅
  • Organizer: SACLA Users' Metting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SACLAを利用した極限環境下の物質に関する研究 (2023)
  • Author(s): 尾崎典雅
  • Organizer: Spring-8シンポジウム2023
  • Invited
• [Presentation] レーザー誘起減衰衝撃圧縮状態の分光放射スペクトル観察 (2023)
  • Author(s): 中川 聖基・尾崎 典雅・山岸 康太・上 村 挙生・岩本 良太・野中 敬太・片桐 健登・弘中 陽一郎・佐野 孝好・兒玉 了 祐
  • Organizer: 第６４回高圧討論会
• [Presentation] 多結晶試料を用いた衝撃圧縮過程におけるメゾスケール構造の影響に関す る検討 (2023)
  • Author(s): 知場 一 航・尾崎 典雅・片桐 健登・小寺 康博・佐野 孝好・兒玉 了祐
  • Organizer: 第６４回高圧討論会
• [Presentation] 結晶中を超音速伝搬する転位のXFELラジオグラフ観察 (2023)
  • Author(s): 尾崎典雅,片桐健登,Tatiana Pikuz,Lichao Fang,Bruno Albertazzi,江頭俊輔,犬伏雄一,上村拳生,兒玉了祐,Michel Koenig,Bernard Kozioziemski,政岡豪流,宮西宏併,中村浩隆,太田雅人,Gabriel Rigon,坂和洋一,佐野孝好,Frank Schoofs,Zoe J. Smith,末田敬一,冨樫格,Tommaso Vinci,Yifan Wang,
  • Organizer: 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2023 (JCHIS 2023)
• [Presentation] Damage threshold of LiF crystal irradiated by femtosecond hard XFEL pulse sequence (2023)
  • Author(s): Sergey Makarov,Evgeny Filippov, Tatiana Pikuz, Norimasa Ozaki, Thanh-Hung Dinh, Maxim Zanaveskin, Mikako Makita, Motoaki Nakatsutsumi, Thomas Preston, Karen Appel, Zuzana Konopkova, Valerio Cerantola, Erik Brambrink, Jan-Patrick Schwinkendorf, Ulf Zastrau, Sergey Pikuz
  • Organizer: OPTICS & PHOTONICS International Congress 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal formation dynamics in shock-compressed glass CaSiO3 (2023)
  • Author(s): A. Amouretti, K. Nonaka, L. Xun, K. Miyanishi, K. Sueda, M. Yabashi, T. Yabuushi, N. Ozaki
  • Organizer: The 11th International workshop on Warm Dense Matter ,WDM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spectroscopic radiation spectral observations of laser-induced damped shock compression states (2023)
  • Author(s): M. Nakagawa, N. Ozaki, K. Yamagishi, G. Kamimura, R. Iwamoto1, K. Nonaka, K. Katagiri, Y. Hironaka, T. Sano, R. Kodama
  • Organizer: The 11th International workshop on Warm Dense Matter ,WDM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Studies on WDM under high pressures using high-power lasers and XFEL (2023)
  • Author(s): N.Ozaki
  • Organizer: The 11th International workshop on Warm Dense Matter ,WDM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental visualization of shock wave interaction with inhomogeneous structure in polystyrene (2023)
  • Author(s): Gooru Masaoka, Tatiana Pikuz, Ryousuke Kodama, Naohisa Yamamoto, Kohei Miyanishi, Keiichi Sueda, Toshinori Yabuuchi, Makina Yabashi and Norimasa Ozaki
  • Organizer: The 11th International workshop on Warm Dense Matter ,WDM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic High-Pressure Research Using Intense Photon Beams" (2023)
  • Author(s): N.Ozaki
  • Organizer: X-Ray Science Gordon Research Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High pressure crystallization of shocked CaSiO3 glass (2022)
  • Author(s): Alexis Amouretti, Keita NONAKA, Liu XUN, Kohei MIYANISHI, Keiichi SUEDA, Makina YABASHI, Toshinori YABUUSHI, Norimasa OZAKI
  • Organizer: 第６３回高圧討論会
• [Book] Ultrafast Laser Nanostructuring (2023)
  • Author(s): Ludovic Rapp,Takeshi Matsuoka,Konstantin L. Firestein,Daisuke Sagae,Hideaki Habara,Keiichiro Mukai,Kazuo A. Tanaka,Eugene Gamaly,Ryosuke Kodama,Yusuke Seto,Takahisa Shobu,Aki Tominaga,Lachlan Smillie,Tatiana Pikuz,Toshinori Yabuuchi,Norimasa Ozaki
  • Total Pages: 1245
  • Publisher: Springer International Publishing