Time-resolved diagnostics of relativistic plasma singularities

• 研究課題/領域番号: 19KK0355
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(A))
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: PIROZHKOV Alex 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員 (00446410)
• 研究期間 (年度): 2020 – 2022
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 15,080千円 (直接経費: 11,600千円、間接経費: 3,480千円)
• キーワード: Plasma singularities / Coherent x-ray source / BISER / Relativistic plasma / New imaging paradigm

研究開始時の研究の概要

We develop spatially&temporally coherent bright attosecond keV x-ray source using laser-driven relativistic plasma singularities (BISER discovered by us [Sci.Rep.7 17968(2017)]). Unlike femtosecond XFELs and weak@keV atomic harmonics, it can image nanostructures and macromolecules before electrons escape, enabling revolutionary Attosecond Lensless Quantum Imaging which may elucidate quantum nature of life. Till now, singularities were seen by their time-integrated emission with motion blur. We will visualize them with fs resolution, revealing their physics and bringing x-ray source stability.

研究成果の概要

レーザー駆動による相対論的プラズマ特異点からのX線放射（我々が発見したBISER現象）である、空間的・時間的にコヒーレントで高輝度なアト秒keV X線源（光子数 >1e12）を開発中である [基課題：基盤(A)19H00669]。以前は、時間積分されたX線放射によってのみ特異点の情報を得ていた。特異点を時間分解で可視化することで、線源の輝度と安定性を高め、基課題を後押しすることを提案し、追加圧縮パルスによる光プローブとフェムト秒ゲートイメージングを開発した。これらの先進的な診断法は、すでに英国での実験でBISERの100倍以上の輝度増加につながり、R5年度の基課題実験でも使用される予定である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

Unlike too-long-pulse XFEL or too-weak@keV atomic harmonics, our new x-ray source can image nanostructures and macromolecules before electrons escape. This will enable revolutionary Attosecond Lensless Quantum Imaging, show true molecule structure, and may clarify a debatable quantum nature of life.

研究成果

• [国際共同研究] Central Laser Facility, STFC Rutherford Appleton Laboratory(英国) (2021)
• [雑誌論文] AnaBHEL (Analog Black Hole Evaporation via Lasers) Experiment: Concept, Design, and Status (2022)
  • 著者名/発表者名: P.Chen, G.Mourou, M.Besancon, Y.Fukuda, J-F.Glicenstein, J.Nam, C-E.Lin, K-N.Lin, S-X.Liu, Y-K.Liu, M.Kando, K.Kondo, S.Paganis, A.Pirozhkov, H.Takabe, B.Tuchming, W-P.Wang, N.Watamura, J.Wheeler, H-Y.Wu, AnaBHEL Collaboration
  • 雑誌名: Photonics 巻: 9 号: 12 ページ: 1003-1003
  • DOI: 10.3390/photonics9121003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deconvolution of multi-Boltzmann x-ray distribution from linear absorption spectrometer via analytical parameter reduction (2021)
  • 著者名/発表者名: C. D. Armstrong; D. Neely; D. Kumar; P. McKenna; R. J. Gray; and A. S. Pirozhkov
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 11 ページ: 113102-113102
  • DOI: 10.1063/5.0057486
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Broadband normal-incidence mirrors for a range of 111-138 A based on an a-periodic Mo/Be multilayer structure (2021)
  • 著者名/発表者名: M. M. Barysheva; S. A. Garakhin; A. O. Kolesnikov; A. S. Pirozhkov; V. N. Polkovnikov; E. N. Ragozin; A. N. Shatokhin; R. M. Smertin; M. V. Svechnikov; and E. A. Vishnyakov
  • 雑誌名: Optical Materials Express 巻: 11 号: 9 ページ: 3038-3048
  • DOI: 10.1364/ome.434506
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relativistic flying laser focus by a laser-produced parabolic plasma mirror (2021)
  • 著者名/発表者名: Tae Moon Jeong; Sergei V. Bulanov; Petr Valenta; Georg Korn; Timur Zh Esirkepov; James K. Koga; Alexander S. Pirozhkov; Masaki Kando; and Stepan S. Bulanov
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 104 号: 5 ページ: 053533-16
  • DOI: 10.1103/physreva.104.053533
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical probing of relativistic plasma singularities (2020)
  • 著者名/発表者名: Esirkepov Timur Zh.、Mu Jie、Gu Yanjun、Jeong Tae Moon、Valenta Petr、Klimo Ondrej、Koga James K.、Kando Masaki、Neely David、Korn Georg、Bulanov Sergei V.、Pirozhkov Alexander S.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 27 号: 5 ページ: 052103-9
  • DOI: 10.1063/5.0004525
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Ultrabright laser-driven BISER coherent x-ray source (2023)
  • 著者名/発表者名: A.Pirozhkov,A.Shatokhin,A.Sagisaka,K.Ogura,T.Pikuz,A.Kotov,T.Dzelzainis,A.Bierwage,Ko.Kondo,H.Ohiro,S.Lorenz,Y.-K.Liu,G.Grittani,T.Jeong,N.Nakanii,K.Huang,A.Kon,Y.Miyasaka,G.Hull,S.Dann,E.Vishnyakov,A.Kolesnikov,M.Koike,P.Chen,T.Esirkepov,J.Koga,R.Gray,A.Soloviev,E.Ragozin,S.Bulanov,S.Namba,et al.
  • 学会等名: SPIE Optics + Optoelectronics Symposium, Compact Radiation Sources from EUV to Gamma-rays: Development and Applications Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] BISER and diagnostics of relativistic plasma singularities (2023)
  • 著者名/発表者名: A.Pirozhkov,A.Shatokhin,A.Sagisaka,K.Ogura,T.Pikuz,A.Kotov,T.Dzelzainis,A.Bierwage,Ko.Kondo,H.Ohiro,S.Lorenz,Y.-K.Liu,G.Grittani,T.Jeong,N.Nakanii,K.Huang,A.Kon,Y.Miyasaka,G.Hull,S.Dann,E.Vishnyakov,A.Kolesnikov,M.Koike,P.Chen,T.Esirkepov,J.Koga,R.Gray,A.Soloviev,E.Ragozin,S.Bulanov,S.Namba,et al.
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2023, The 12th Advanced Lasers and Photon Sources ALPS-2023
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrabright BISER coherent x-ray source in experiments with the Astra and J-KAREN-P lasers (2023)
  • 著者名/発表者名: A.Pirozhkov,A.Shatokhin,A.Sagisaka,K.Ogura,T.Pikuz,A.Kotov,T.Dzelzainis,A.Bierwage,Ko.Kondo,H.Ohiro,S.Lorenz,Y.-K.Liu,G.Grittani,T.Jeong,N.Nakanii,K.Huang,A.Kon,Y.Miyasaka,G.Hull,S.Dann,E.Vishnyakov,A.Kolesnikov,M.Koike,P.Chen,T.Esirkepov,J.Koga,R.Gray,A.Soloviev,E.Ragozin,S.Bulanov,S.Namba,et al.
  • 学会等名: JPS Spring Meeting 2023
• [学会発表] BISER experiments with the Astra and J-KAREN-P lasers (2023)
  • 著者名/発表者名: A.Pirozhkov,A.Shatokhin,A.Sagisaka,K.Ogura,T.Pikuz,A.Kotov,T.Dzelzainis,A.Bierwage,Ko.Kondo,H.Ohiro,S.Lorenz,Y.-K.Liu,G.Grittani,T.Jeong,N.Nakanii,K.Huang,A.Kon,Y.Miyasaka,G.Hull,S.Dann,E.Vishnyakov,A.Kolesnikov,M.Koike,P.Chen,T.Esirkepov,J.Koga,R.Gray,A.Soloviev,E.Ragozin,S.Bulanov,S.Namba,et al.
  • 学会等名: The 70th JSAP Spring Meeting 2023
• [学会発表] Ultrabright BISER coherent x-ray source driven by the Astra and J-KAREN-P lasers (2022)
  • 著者名/発表者名: A.Pirozhkov,A.Shatokhin,A.Sagisaka,K.Ogura,T.Pikuz,A.Kotov,T.Dzelzainis,A.Bierwage,Ko.Kondo,H.Ohiro,S.Lorenz,Y.-K.Liu,G.Grittani,T.Jeong,N.Nakanii,K.Huang,A.Kon,Y.Miyasaka,G.Hull,S.Dann,E.Vishnyakov,A.Kolesnikov,M.Koike,P.Chen,T.Esirkepov,J.Koga,R.Gray,A.Soloviev,E.Ragozin,S.Bulanov,S.Namba,et al.
  • 学会等名: Christmas Meeting of the High Power Laser User Community
  • 国際学会
• [学会発表] BISER enhancement with Astra laser (2022)
  • 著者名/発表者名: A.N.Shatokhin; A.V.Kotov; T.M.Jeong; G.M.Grittani; T.Dzelzainis; G.Hull; S.Dann; A.Sagisaka; E.A.Vishnyakov; A.O.Kolesnikov; M.Koike; T.Zh.Esirkepov; M.Kando; K.Ogura; T.A.Pikuz; J.K.Koga; H.Kiriyama; A.A.Soloviev; E.N.Ragozin; S.V.Bulanov; K.Kondo; T.Kawachi; D.R.Symes; D.Neely; A.S.Pirozhkov
  • 学会等名: The 69th JSAP Spring Meeting 2022
• [学会発表] Multiple diagnostics in laser-plasma experiment at ~10^22 W/cm^2 (2021)
  • 著者名/発表者名: A.S.Pirozhkov; A.Sagisaka; K.Ogura; T.Zh.Esirkepov; B.Gonzalez Izquierdo; A.N.Shatokhin; E.A.Vishnyakov; C.Armstrong; T.A.Pikuz; M.A.Alkhimova; S.A.Pikuz; W.Yan; T.M.Jeong; S.Singh; P.Hadjisolomou; O.Finke; G.Grittani; M.Nevrkla; C.Lazzarini; A.Velyhan; T.Hayakawa; Y.Fukuda; J.K.Koga; M.Ishino; Ko.Kondo; et al.
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress 2021 - International Conference on High-Energy Density Sciences 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of hard x-rays at intensities approaching ~10^22 W/cm^2 (2021)
  • 著者名/発表者名: A.S.Pirozhkov; A.Sagisaka; K.Ogura; T.Zh.Esirkepov; B.Gonzalez Izquierdo; A.N.Shatokhin; E.A.Vishnyakov; C.Armstrong; T.A.Pikuz; M.A.Alkhimova; S.A.Pikuz; W.Yan; T.M.Jeong; S.Singh; P.Hadjisolomou; O.Finke; G.Grittani; M.Nevrkla; C.Lazzarini; A.Velyhan; T.Hayakawa; Y.Fukuda; J.K.Koga; M.Ishino; Ko.Kondo; et al.
  • 学会等名: 3rd International Conference on Nuclear Photonics 2020 (NP2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Overview of the 10^22 Experiment with the J-KAREN-P laser (2021)
  • 著者名/発表者名: A.S.Pirozhkov; A.Sagisaka; K.Ogura; T.Zh.Esirkepov; B.Gonzalez Izquierdo; A.N.Shatokhin; E.A.Vishnyakov; C.Armstrong; T.A.Pikuz; M.A.Alkhimova; S.A.Pikuz; W.Yan; T.M.Jeong; S.Singh; P.Hadjisolomou; O.Finke; G.Grittani; M.Nevrkla; C.Lazzarini; A.Velyhan; T.Hayakawa; Y.Fukuda; J.K.Koga; M.Ishino; Ko.Kondo; et al.
  • 学会等名: OPTO-2021 Symposium on Photon and Beam Science
• [学会発表] Experiment towards the Gamma Flare regime (2021)
  • 著者名/発表者名: A.S.Pirozhkov; A.Sagisaka; K.Ogura; T.Zh.Esirkepov; B.Gonzalez Izquierdo; A.N.Shatokhin; E.A.Vishnyakov; C.Armstrong; T.A.Pikuz; M.A.Alkhimova; S.A.Pikuz; W.Yan; T.M.Jeong; S.Singh; P.Hadjisolomou; O.Finke; G.Grittani; M.Nevrkla; C.Lazzarini; A.Velyhan; T.Hayakawa; Y.Fukuda; J.K.Koga; M.Ishino; Ko.Kondo; et al.
  • 学会等名: The 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 2021 Astra BISER experiment highlights (2021)
  • 著者名/発表者名: Alexey Shatokhin; Alexander Kotov; Tae Moon Jeong; Gabriele Maria Grittani; Thomas Dzelzainis; Gregory Hull; Stephen Dann; Akito Sagisaka; Eugene Vishnyakov; Alexey Kolesnikov; Timur Esirkepov; Masaki Kando; Alexander Soloviev; Eugene Ragozin; Dan Symes; David Neely ; and Alexander Pirozhkov
  • 学会等名: Christmas High Power Laser Science Community Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] BISER coherent x-rays source (2021)
  • 著者名/発表者名: A.S.Pirozhkov, T.Zh.Esirkepov, B.Gonzalez-Izquierdo, A.Sagisaka, T.A.Pikuz, Z.E.Davidson, K.Ogura, A.Bierwage, K.Huang, N.Nakanii, J.K.Koga, A.Ya.Lopatin, Y.Fukuda, D.Neely, P.McKenna, E.N.Ragozin, S.A.Pikuz, N.I.Chkhalo, N.N.Salashchenko, S.Namba, H.Kiriyama, M.Koike, K.Kondo, T.Kawachi, M.Kando
  • 学会等名: XXV International Symposium “Nanophysics & Nanoelectronics”
  • 国際学会 / 招待講演