衝撃圧縮による金属化ダイヤモンドのナノ秒生成

• 研究課題/領域番号: 21J10604
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分80040:量子ビーム科学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 片桐 健登 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2021-04-28 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 1,500千円 (直接経費: 1,500千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: ダイヤモンド / 超高圧 / 衝撃圧縮 / X線自由電子レーザー / 相転移 / 炭素 / 金属化 / 超高速変形

研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、衝撃圧縮による金属化ダイヤモンドのナノ秒生成である。ハイパワーレーザーによりダイヤモンドを最大1,200 万気圧まで圧縮し、X線自由電子レーザーを用いたその場X線回折法による結晶構造の観察を行う。極限領域を生成するレーザー衝撃圧縮と高輝度短パルスのX線源であるX線自由電子レーザーを融合させる本研究手法は、他の圧縮法では到達不可能な超高圧力域における新物質や新構造の探索を行う先駆的なアプローチである。衝撃圧縮下における金属化ダイヤモンドの振る舞いを知ることで、物質科学や惑星科学、高エネルギー密度科学といった幅広い分野に横断した学術の展開が期待される。

研究実績の概要

本研究では、ハイパワーレーザー照射により誘起された衝撃波を用いてダイヤモンドに高圧力を印加し、その際に発生する物性変化をその場観察した。はじめに可視光プローブ計測により、最大1600 GPaの超高圧力におけるダイヤモンドの圧縮率と光学特性の圧力依存性を評価した。これによりダイヤモンドは1200 GPaを超える圧力域において金属的な振る舞いを示すことが確認されたほか、ダイヤモンドの結晶粒径が衝撃圧縮状態の変化に与える影響は、より低圧の固体領域に限定されることを明らかにした。次に、X線自由電子レーザーを用いたフェムト秒X線回折計測を、80-700 GPaまで衝撃圧縮されたナノ多結晶ダイヤモンドで行った。これにより、衝撃圧縮下で発生する弾塑性変形を時間分解し、それらの変形に伴う歪みの異方性を定量的に評価した。また、700 GPaの高圧力下においてダイヤモンドが結晶構造変化を示さないことを明らかにした。本結果から、ダイヤモンドが金属的に振る舞う1200 GPa以上の圧力域におけるその場X線回折計測を行うには、X線自由電子レーザーに同期された30 Jレーザーではエネルギーが足りないという問題点も明らかになった。そこで、低密度フォームを材料に用いた圧力増幅レイヤーの開発を行なった。この圧力増幅レイヤーを衝撃圧縮試料のレーザー照射面に貼付して同じエネルギーのレーザー照射を試みたところ、既存の一般的なアブレーションレイヤーに比べて76%高い圧力増幅効果が得られることが分かった。この圧力増幅レイヤーを用いることで、30 J級レーザーであってもダイヤモンドが金属的に振る舞う1200 GPa以上の超高圧力を印加し、X線計測を行うことが可能であると見積もられる。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Stanford University(米国)
• [国際共同研究] Ecole Polytechnique(フランス)
• [国際共同研究] University of Rostock(ドイツ)
• [雑誌論文] Diamond formation kinetics in shock-compressed C-H-O samples recorded by small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction (2022)
  • 著者名/発表者名: Z. He, M. Rodel, J. Lutgert, A. Bergermann, M. Bethkenhagen, D. Chekrygina, T. E. Cowan, A. Descamps, M. French, E. Galtier, A. E. Gleason, G. D. Glenn, S. H. Glenzer, Y. Inubushi, N. J. Hartley, J. Hernandez, B. Heuser, O. S. Humphries, N. Kamimura, K. Katagiri, D. Khaghani, et al.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hugoniot equation-of-state and structure of laser-shocked polyimide C22H10N2O5 (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, D. Murayama, K. Nonaka, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Miyanishi, H. Nakamura, T. Okuchi, T. Sano, Y. Seto, K. Shigemori, K. Sueda, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 105 号: 5 ページ: 054103-054103
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.054103
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hugoniot and released state of calcite above200GPa with implications for hypervelocity planetary impacts (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuhei Umeda, Keiya Fukui, Toshimori Sekine, Marco Guarguaglin, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Nobuki Kamimura, Kento Katagiri, Ryosuke Kodama, Takeshi Matsuoka, Kohei Miyanishi, Alessandra Ravasio, Takayoshi Sano, Norimasa Ozaki
  • 雑誌名: Icarus 巻: 377 ページ: 114901-114901
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114901
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Shock Hugoniot Data for Water up to 5 Mbar Obtained with Quartz Standard at High-Energy Laser Facilities (2021)
  • 著者名/発表者名: Mancelli D.、Errea I.、Tentori A.、Turianska O.、Larreur H.、Katagiri K.、Ozaki N.、Kamimura N.、Kamibayashi D.、Ishida K.、Ogura H.、Kawasaki K.、Maeda Y.、Hironaka Y.、Shigemori K.、Batani K.、Schaumann G.、Rosmej O.、Neumayer P.、Zielbauer B.、Martynenko A. S.、Filippov E. D.、Pikuz S.、Batani D.
  • 雑誌名: Laser and Particle Beams 巻: 2021 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1155/2021/4141522
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure amplification effect of using resorcinol/formaldehyde foam ablators in laser-shock experiments (2021)
  • 著者名/発表者名: Kento Katagiri, Norimasa Ozaki, Kohei Yamanoi, Takayoshi Sano, Ryosuke Kodama
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 28(7) 号: 7 ページ: 072705-072705
  • DOI: 10.1063/5.0048651
  • 査読あり
• [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] Micron-scale phenomena observed in a turbulent laser-produced plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Rigon G.、Albertazzi B.、Pikuz T.、Mabey P.、Bouffetier V.、Ozaki N.、Vinci T.、Barbato F.、Falize E.、Inubushi Y.、Kamimura N.、Katagiri K.、Makarov S.、Manuel M. J.-E.、Miyanishi K.、Pikuz S.、Poujade O.、Sueda K.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Gregori G.、Kodama R.、Casner A.、Koenig M.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22891-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray radiography based on the phase-contrast imaging with using LiF detector (2021)
  • 著者名/発表者名: Makarov S S、Pikuz T A、Buzmakov A V、Chernyaev A P、Mabey P、Vinci T、Rigon G、Albertazzi B、Casner A、Bouffetier V、Kodama R、Katagiri K、Kamimura N、Umeda Y、Ozaki N、Falize E、Poujade O、Togashi T、Yabashi M、Yabuuchi T、Inubushi Y、Miyanishi K、Sueda K、Manuel M、Gregori G、Koenig M、Pikuz S A
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1787 号: 1 ページ: 012027-012027
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1787/1/012027
  • 査読あり / 国際共著
• [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] Hugoniot Equation-of-State of Polyimide up to 600 GPa (2022)
  • 著者名/発表者名: Kento Katagiri
  • 学会等名: The International Conference on Matter and Radiation at Extremes 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] In-situ X-ray diffraction of shock-released tantalum (2022)
  • 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, R. Kodama
  • 学会等名: OPTICS & PHOTONICS International Congress
  • 国際学会
• [学会発表] In situ X-ray Diffraction of Shock-Compressed Nanopolycrystalline Diamond (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, L. Dresselhaus-Marais, J. Eggert, Y. Inubushi, T. Irifune, M. Koenig, T. Matsuoka, K. Miyanishi, H. Nakamura, N. Nishiyama, T. Sekine, Y. Seto, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Liquid structure of tantalum under internal negative pressure observed by in-situ X-ray diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri
  • 学会等名: Matter in Extreme Conditions from MATerial science to PLAnetary physics
  • 国際学会
• [学会発表] Laser-shock compression of full density nano-polycrystalline diamond (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, Y. Umeda, T. Irifune, N. Kamimura, K. Miyanishi, T. Sano, T. Sekine, and R. Kodama
  • 学会等名: 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 多結晶タンタルの衝撃圧縮および解放状態における液体構造の観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 片桐健登
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] X 線自由電子レーザーによるナノ多結晶ダイヤモンド 超高速変形のその場観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 片桐健登，尾崎典雅，L. Dresselhaus-Marais，J. Eggert, 犬伏雄一，松岡健之，宮西宏併, 西山宣正，末田敬一, 関根利守，瀬戸雄介，丹下慶範，入舩徹男，富樫格，梅田悠平，矢橋牧名，籔内俊毅，兒玉了祐
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] Measurement of Hugoniot elastic limit of nano-polycrystalline diamond (NPD) (2021)
  • 著者名/発表者名: 片桐健登，尾崎典雅, 佐野孝好, 兒玉了祐
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム OPTO2021
• [備考] Kento Katagiri
  • URL: https://sites.google.com/view/kentokatagiri/publications