レーザー高速圧縮とパルスＸ線瞬間回折による衝突融解現象の時間進展解析

• 研究課題/領域番号: 20K20947
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 奥地 拓生 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (40303599)
• 研究分担者: 梅田 悠平 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (90815705)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 衝突融解現象 / 高強度レーザー / X線自由電子レーザー / カンラン石 / Ｘ線自由電子レーザー

研究開始時の研究の概要

４６億年の昔、原始の太陽をとりまく星雲の中で、無数の小天体が衝突と合体を繰り返すことで惑星や小惑星が成長した。これらの天体の内部では、強圧縮による加熱や、摩擦変形による発熱に起因する岩石の融解が起きていた。その結果、隕石が含むコンドリュールのもとになったマグマのしぶきや、やはり隕石が含む特異な高密度鉱物が作られた。この衝突融解現象を、高強度レーザーとＸ線自由電子レーザーを組合せた実験によって再現することを通して、初期太陽系の進化の歴史を現在に復元する。

研究実績の概要

46億年の昔、原始の太陽をとりまく星雲の中で無数の小天体が衝突と合体を繰り返して惑星、衛星、小惑星が成長した。そこでは強い圧縮と加熱が同時に引き起こされ、その過程が惑星構成物質の事後の状態に大きな影響を与えた。そのなかでも衝突が誘起する融解の現象は、隕石のショックベインなどの特徴的な組織の生成や、コンドリュールのもとのマグマ、特異な高密度鉱物などの生成の原因となったと考えられてきた。本研究課題では、この衝突融解の現象を高強度レーザー駆動の手法で再現し、その時間進展をX線自由電子レーザーで回折計測することを通して、初期太陽系の物質進化史の重要な部分を復元することを試みている。
この研究目標を達成するために本年度もSACLA施設での高強度レーザー駆動の衝撃圧縮実験を行い、多様な衝突融解現象を計測した。圧縮されるターゲットの構成を最適化することなどにより、ハイパワーレーザー駆動圧縮の圧力値の再現性と、その光学計測の精度が昨年度よりもさらに向上した。新たな試料種として、ゲルマニウム酸化物ガラスを事前に実験室で合成した上で実験に供した。この試料種においてはGe原子がケイ酸塩のSi原子と同じ4配位型の電子配置を有するが、前者の高配位への変化は後者よりも低い圧力で起こる。これまでに進めてきた後者への実験の手法を応用することで、前者についても衝突融解に至る構造進展の計測を初めて実現することができた。以上に加えてさらに、物質・材料研究機構において火薬銃駆動の衝撃圧縮回収実験を行った。得られた試料の予察的な微小領域X線回折計測によって6配位型高密度構造の生成を確認した。このように本年度は衝突融解現象の進展を捉えた多数の実験結果を新たに得ており、これを前年度までに行った光学計測・X線回折計測の結果と組み合わせた解析も進展している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

上記のように衝突融解現象の計測を順調に行うことができており、ケイ酸塩に加えてゲルマニウム酸化物についても新たな結果が得られたことから、研究課題はおおむね順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

衝突融解現象のさらなる理解のためには、強い圧縮の下で急速に構造が乱れた物質の状態を調べる方法として、X線回折では難しい局所構造解析の方法を導入することが望ましい。この目的のために、SACLAのX線をプローブとした衝撃圧縮その場X線吸収分光の計測を早急に実現させたいと考えている。この手法で新しく得られる結果も検討に加えた上で、衝突融解した物質の急速な構造緩和、その部分的な結晶化、結晶化部分の構造相転移などの研究をさらに展開してゆきたい。

研究成果

• [国際共同研究] 延世大学校(韓国)
• [国際共同研究] 四川大学/北京高圧科学研究中心(中国)
• [国際共同研究] スタンフォード大学(米国)
• [国際共同研究] 延世大学校(韓国)
• [国際共同研究] 北京高圧科学研究中心/四川大学(中国)
• [国際共同研究] 延世大学校(韓国)
• [国際共同研究] 北京高圧科学研究中心(中国)
• [雑誌論文] Phase transition and melting in zircon by nanosecond shock loading (2022)
  • 著者名/発表者名: Sota Takagi, Kouhei Ichiyanagi, Atsushi Kyono, Nobuaki Kawai, Shunsuke Nozawa, Norimasa Ozaki, Yusuke Seto, Takuo Okuchi, Souma Nitta, Satoru Okada, Kohei Miyanishi, Keiichi Sueda, Tadashi Togashi, Toshinori Yabuuchi
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: - 号: 5 ページ: 8-8
  • DOI: 10.1007/s00269-022-01184-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast structure transformation of olivine to ringwoodite during laser-driven shock compression (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 2021 巻: - ページ: 94-95
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] ハイパワーレーザーを使った惑星物質探査実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生、尾崎典雅
  • 雑誌名: Optronics : 光技術コーディネートジャーナル 巻: 41 ページ: 61-66
• [雑誌論文] Ultrafast olivine-ringwoodite transformation during shock compression (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okuchi, Y. Seto, N. Tomioka, T. Matsuoka, B. Albertazzi, N. J. Hartley, Y. Inubushi, K. Katagiri, R. Kodama, T. A. Pikuz, N. Purevjav, K. Miyanishi, T. Sato, T. Sekine, K. Sueda, K. A. Tanaka, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, T. Yabuuchi, M. Yabashi, N. Ozaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 4305-4305
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24633-4
  • NAID: 120007141957
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 惑星物質の衝撃圧縮その場状態計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: OKUCHI Takuo、OZAKI Norimasa
  • 雑誌名: 高圧力の科学と技術 巻: 31 号: 3 ページ: 166-171
  • DOI: 10.4131/jshpreview.31.166
  • NAID: 130008158986
  • ISSN: 0917-639X, 1348-1940
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 天体衝突を記録する結晶の生成過程の超高速その場計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 雑誌名: SPring8/SACLA利用者情報 巻: 26 ページ: 341-348
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 高強度レーザーを用いた惑星物質の衝撃圧縮実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生, 尾崎典雅
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 49 ページ: 35-39
  • 査読あり
• [雑誌論文] Liquid Structure of Tantalum under Internal Negative Pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, S. Ohmura, B. Albertazzi, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Ishida, M. Koenig, K. Miyanishi, H. Nakamura, M. Nishikino, T. Okuchi, T. Sato, Y. Seto, K.Shigemori, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 17 ページ: 175503-175503
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.175503
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] レーザー衝撃圧縮法による炭酸塩鉱物の天体衝突再現実験 (2023)
  • 著者名/発表者名: 梅田悠平
  • 学会等名: レーザー学会第43回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 銅のフェムト秒レーザ駆動衝撃変形 (2023)
  • 著者名/発表者名: 江頭尚弥、松田朋己、奥地拓生、瀬戸雄介、伊藤佑介、菖蒲敬久、中新信彦、犬伏雄一、富樫格、宮西宏併、佐野智一
  • 学会等名: レーザー学会第43回年次大会
• [学会発表] 超高速時間分解X線プローブによる鉱物の衝撃圧縮状態研究の現在と今後 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Laser-driven shock experiments of planetary silicate minerals for finding evolution history of the solar system (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi, Naotaka Tomioka
  • 学会等名: 2022 IUCr High-Pressure Workshop "Advanced High-Pressure Crystallography"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 衝撃圧縮による二酸化チタンの構造相転移 (2022)
  • 著者名/発表者名: 永井優馬, 梅田悠平, 小林敬道, 遊佐斉, 富岡尚敬, 奥地拓生
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] 高強度レーザー誘起超高圧の XFEL 超解像ラジオグラフ観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾崎典雅、PIKUZ Tatiana、政岡豪流、片桐健登、中村浩隆、 弘中陽一郎、兒玉了祐、奥地拓生、宮西宏併 、末田敬一、籔内俊毅、矢橋牧名、ALBERTAZZI Bruno、KOENIG Michel
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] 衝撃圧縮過程におけるクォーツのXFELラジオグラフ観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 政岡豪流、PIKUZ Tatiana、片桐健登、兒玉了祐、奥地拓生、ALBERTAZZI Bruno 、KOENIG Michel 、宮西宏併、末田敬一、籔内俊毅、矢橋牧名、尾崎典雅
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] Phase transition and melting in zircon by nanosecond shock loading (2022)
  • 著者名/発表者名: Sota Takagi
  • 学会等名: HEDS2022, Co-located with Optics & Photonics International Congress 2022
  • 国際学会
• [学会発表] High-pressure minerals in planetary materials: Witnesses of asteroid impact events (2022)
  • 著者名/発表者名: Naotaka Tomioka, Masaaki Miyahara, Luca Bindi, Takuo Okuchi
  • 学会等名: 23rd International Mineralogical Association General Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser-Driven Shock Experiments of Planetary Materials for Finding Evolution History of Early Solar System (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 学会等名: Internaitonal Conference on High Energy Density Sciences 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Calcite at extreme conditions with implications for hypervelocity planetary impacts (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuhei Umeda
  • 学会等名: Internaitonal Conference on High Energy Density Sciences 2022
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー衝撃圧縮法で再現する高速天体衝突極限環境における含水鉱物の高圧物性計測と時間分解構造観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梅田悠平、 奥地拓生、関根利守 、佐野孝好、犬伏雄一、片桐健登、兒玉了祐、宮西宏併、瀬戸雄介、清水健二、篠田圭司、末田敬一、富樫格、冨岡尚敬、藪内俊毅、尾崎典雅
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] パワーレーザー/XFEL利用によるフォルステライトの高速相転移と高速融解 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生、富岡尚敬、尾崎典雅、瀬戸雄介、兒玉了祐、宮西宏併、関根利守、梅田悠平、薮内俊毅
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] 衝撃圧縮による惑星物質の高密度原子配列の生成過程 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: SPring-8シンポジウム2021
• [学会発表] Planetology using high-power laser and X-ray free electron laser (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 学会等名: 4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laboratory exploration of planetary materials using high power lasers (2020)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2020
  • 招待講演
• [学会発表] 水素を含む地球惑星内部物質の構造と拡散の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2020年度年会
  • 招待講演