研究課題
基盤研究(A)
水素化物には、構造相転移に伴う"超高温超伝導"など、水素のユニークな特性を反映した興味深い振る舞いが秘められている。しかしながら、水素化物の状態方程式や相図に関わる実験データは決定的に不足している。本研究では、ハイパワーレーザーを用いた動的超高圧を高度に制御して、超高圧高密度の領域で圧縮特性や光学特性を明らかにし、融解や金属転移境界などの振舞いを調べる。また、X線自由電子レーザーをプローブとした超高速X線回折法によって構造とその時間変化のダイナミクスを直接観察する。常温超伝導体や水素吸蔵材料の合成など、新たな水素リッチ物質材料イノベーションの創出に向けて先鞭となる基礎研究を展開する。
ハイパワーレーザーショック圧縮実験によって、第一原理分子動力学計算でのみ可視化されてきたような超高圧下の水素化物の姿と振る舞いを明らかにすることを目標に実験的研究を行った。既に超高温超伝導が実証されている硫化水素だけでなく、超高圧下で構造変化が期待される水素リッチなアンモニアボランについて研究を進めた。当該年度では、それぞれにおいて100万気圧領域までの衝撃超高圧データを蓄積し、データ解析を行った。これまで独自に確立してきた速度干渉計/放射輝度温度計に加えて、分光スペクトル計測を組み合わせた実験セットアップを構築し、多角的な観察結果を得た。サファイアをダイナミックアンビルに用いた反射衝撃圧縮状態を実現し、低エントロピー条件でのデータを取得することができた。極限環境下での水素化物における化学反応を可視化するため、X線自由電子レーザーを用いた超高速X線回折実験に関する検討を開始し、実際に実験を行うことができた。有効データ取得可能なターゲットアセンブリと実験配置を確立し、100万気圧までの条件を実現するためのレーザー照射条件も明らかにした。アンモニアボランを水素供給材に用いた金属水素化物合成実験についても検討を開始した。アンモニアボラン-ランタン接触界面を観察し、ランタン水素化物が増大する様子を初めて観察した。
1: 当初の計画以上に進展している
ダイヤモンドアンビルセル(DAC)を用いた硫化水素、および粉末から成形したアンモニアボランのターゲットそれぞれにおいて、衝撃圧縮データをルーティンに得るための実験手続きを確立することができた。また双方において、サファイアのダイナミックアンビルを用いた低エントロピー状態の実現も確実に生成可能であることがわかった。独自に確立してきた速度干渉計/放射輝度温度計に加えて、分光スペクトル計測を組み合わせた実験セットアップに高度化し、より高精度の温度特性や放射特性を明らかにすることが可能となった。これら可視光計測実験だけでなく、X線自由電子レーザーを用いた最新のX線計測実験が実施可能であることも既に確認できた。X線計測実験に特化したターゲットパッケージを開発し、機能することがわかった。アンモニアボランターゲットにおいて、高圧相転移や解放過程での化学反応の兆候を既に捉えることに成功した。さらには、アンモニアボランを水素供給材として利用した金属水素化物合成法の可能性に関して有効な知見が得られ、次年度に飛躍させる準備をすることができた。
固体水素化物について、高精度の衝撃圧縮データの蓄積を開始し、統合解析を行い圧縮特性や熱力学特性を明らかにする。また内部の水素に関する状態の推定に関して検討を開始する。X線計測実験をさらに進展させ、アンモニアボランを利用した反応創成の可能性を探求する。100万気圧衝撃圧力までの領域で、理論的に予測されているハイドライドの合成を念頭にその場観察を行う。圧縮過程だけでなく解放過程までも含めて探索条件の可能性を広げる。
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すべて 国際共同研究 (10件) 雑誌論文 (32件) (うち国際共著 25件、 査読あり 32件、 オープンアクセス 20件) 学会発表 (72件) (うち国際学会 25件、 招待講演 13件) 図書 (1件)
Journal of Applied Physics
巻: 133 号: 9 ページ: 095109-095109
10.1063/5.0131356
Journal of Synchrotron Radiation
巻: 30 号: 1 ページ: 1-9
10.1107/s1600577522006245
High Power Laser Science and Engineering
巻: 11 ページ: 1-11
10.1017/hpl.2023.13
Matter and Radiation at Extremes
巻: 7 号: 3 ページ: 036902-036902
10.1063/5.0068689
Physics and Chemistry of Minerals
巻: - 号: 5 ページ: 8-8
10.1007/s00269-022-01184-8
Scientific Reports
巻: 12 号: 1 ページ: 1-9
10.1038/s41598-022-14582-3
Review of Scientific Instruments
巻: 93 号: 6 ページ: 063505-063505
10.1063/5.0089969
Physical Review B
巻: 105 号: 22 ページ: 1-7
10.1103/physrevb.105.l220102
Physical Review E
巻: 106 号: 2 ページ: 1-7
10.1103/physreve.106.025205
Science Advances
巻: 8 号: 35 ページ: 1-7
10.1126/sciadv.abo0617
巻: 12 号: 1 ページ: 1-8
10.1038/s41598-022-25365-1
Icarus
巻: 377 ページ: 114901-114901
10.1016/j.icarus.2022.114901
PHYSICAL REVIEW B
巻: 105 号: 5 ページ: 054103-054103
10.1103/physrevb.105.054103
巻: 105 号: 2 ページ: 025203-025203
10.1103/physreve.105.025203
Nuovo Cimento della Societa Italiana di Fisica C
巻: 44 ページ: 1-4
Laser and Particle Beams
巻: 2021 ページ: 1-10
10.1155/2021/4141522
Physical Review Letters
巻: 126 号: 17 ページ: 175503-175503
10.1103/physrevlett.126.175503
Nature Communications
10.1038/s41467-021-22891-w
巻: 12 号: 1 ページ: 4305-4305
10.1038/s41467-021-24633-4
120007141957
巻: 126 号: 1 ページ: 15703-15703
10.1103/physrevlett.126.015703
レーザー学会誌
巻: 49(1) ページ: 11-16
巻: 49(1) ページ: 56-60
巻: 103 号: 9 ページ: 094106-094106
10.1103/physrevb.103.094106
Physics of Plasmas
巻: 28(7) 号: 7 ページ: 072705-072705
10.1063/5.0048651
Journal of Physics: Photonics
巻: 3 ページ: 024002-024002
10.1088/2515-7647/abd4ef
High Energy Density Physics
巻: 37 ページ: 100892-100892
10.1016/j.hedp.2020.100892
巻: 37 ページ: 100864-100864
10.1016/j.hedp.2020.100864
巻: 125 号: 18 ページ: 185701-185701
10.1103/physrevlett.125.185701
巻: 36
巻: 36 ページ: 100813-100813
10.1016/j.hedp.2020.100813
Geophysical Research Letters
巻: 10 号: 15
10.1029/2020gl088887
巻: 101 号: 18 ページ: 184106-184106
10.1103/physrevb.101.184106