電子運動に駆動される磁気リコネクションの微視的物理過程と電磁場構造に関する研究

• 研究課題/領域番号: 22KJ2061
• 補助金の研究課題番号: 21J20499 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分14010:プラズマ科学関連
• 研究機関: 核融合科学研究所 (2023); 大阪大学 (2021-2022)
• 研究代表者: 境 健太郎 核融合科学研究所, 研究部, 助教
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 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: 実験室宇宙物理 / レーザー / プラズマ / 磁気リコネクション / トムソン散乱

研究開始時の研究の概要

磁気リコネクションにおける電子ダイナミクスの理解のため、高出力レーザーを用いた模擬実験を行う。微視的な電子・イオンの運動を協同トムソン散乱を用いて計測し、反平行な磁場配位に対応する電流シート、リコネクションの結果生じたアウトフロー等をとらえる。イオンビームを用いた電磁場のイメージング計測により巨視的な磁場トポロジーの時間的変化をとらえる。磁気プローブによりリコネクションの結果生じたプラズモイドや電子スケールの電磁場揺動を測る。これらによって、微視的な電子のダイナミクスが巨視的な磁気リコネクションを駆動することを実験的に明らかにする。

研究実績の概要

電子運動に駆動される磁気リコネクションの実験研究に取り組んだ。磁場強度を制御することで磁場と電子のみが相互作用しイオンとは相互作用しない系を作り、磁気リコネクションを駆動する実験を行った。磁気リコネクションが起こった領域を協同トムソン散乱で局所計測することで、磁気リコネクションの結果生じたアウトフローを直接計測した。このアウトフローにイオンは含まれない電子だけのアウトフローであり、その速度は電子Alfven速度程度であった。また、磁気プローブで磁場を計測することで、磁気リコネクションによって磁場構造が変化したことを示す磁場の反転と、磁気リコネクションが起こる領域から飛来するwhistler波 (電子スケールの波動) を検出した。これらの結果を総合すると、磁気リコネクションが電子のダイナミクスにより駆動され、その結果上流の磁場エネルギーが電子アウトフローの運動エネルギーに開放されることがわかった。これは磁気リコネクションのイオンが磁化しないミクロなスケールにおけるエネルギー変換過程を実験的に明らかにしたことを意味する [K. Sakai et al., Sci. Rep. (2022)]。whistler波は磁気リコネクションによって生成された電子アウトフローのエネルギーが運動論的な不安定性で波動のエネルギーに変換された結果だと考えられるが、どのメカニズムで波動が励起されたのかは未解明である。実験的に不安定性による波動励起を検証するため、非平衡プラズマ中の協同トムソン散乱を用いて計測する手法を理論・シミュレーションを用いて検討した [K. Sakai et al., Phys. Plasmas (2020, 2023)]。

研究成果

• [国際共同研究] 台湾、国立中央大学/台湾、国立成功大学/台湾、国家実験研究院(その他の国・地域)
• [国際共同研究] Joint Institute for High Temperatures/National Research Nuclear University(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Princeton Plasma Physics Laboratory/University of Rochester(米国)
• [国際共同研究] Beijing Normal University(中国)
• [国際共同研究] 台湾、国立中央大学/台湾、国立台湾大学/台湾、国立成功大学(その他の国・地域)
• [国際共同研究] Ecole Polytechnique(フランス)
• [国際共同研究] University of York(英国)
• [国際共同研究] Masaryk University(チェコ)
• [国際共同研究] 台湾国立中央大学(その他の国・地域)
• [雑誌論文] Advancements in neural network techniques for electric and magnetic field reconstruction: Application to ion radiography (2024)
  • 著者名/発表者名: Jao C.-S.、Chen Y.-C.、Nikaido F.、Liu Y.-L.、Sakai K.、Minami T.、Isayama S.、Abe Y.、Kuramitsu Y.
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 14 号: 2 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1063/5.0189878
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Automation of etch pit analyses on solid-state nuclear track detectors with machine learning for laser-driven ion acceleration (2024)
  • 著者名/発表者名: Taguchi T.、Minami T.、Hihara T.、Nikaido F.、Asai T.、Sakai K.、Abe Y.、Yogo A.、Arikawa Y.、Kohri H.、Tokiyasu A. O.、Chu C. M.、Woon W. Y.、Kodaira S.、Kanasaki M.、Fukuda Y.、Kuramitsu Y.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 95 号: 3 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1063/5.0172202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electron scale magnetic reconnections in laser produced plasmas (2023)
  • 著者名/発表者名: Kuramitsu Yasuhiro、Sakai Kentaro、Moritaka Toseo
  • 雑誌名: Reviews of Modern Plasma Physics 巻: 7 号: 1 ページ: 1-53
  • DOI: 10.1007/s41614-023-00125-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Role of Collision Ionization of K-Shell Ions in Nonequilibrium Plasmas Produced by the Action of Super Strong, Ultrashort PW-Class Laser Pulses on Micron-Scale Argon Clusters with Intensity up to 5×21 W/cm2 (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Yu. Skobelev, Y. Fukuda, H. Kiriyama et al.
  • 雑誌名: Photonics 巻: 10 号: 11 ページ: 1250-1250
  • DOI: 10.3390/photonics10111250
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ion-acoustic feature of collective Thomson scattering in non-equilibrium two-stream plasmas (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakai K.、Nishimoto T.、Isayama S.、Matsukiyo S.、Kuramitsu Y.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 30 号: 1 ページ: 012105-012105
  • DOI: 10.1063/5.0117812
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observations of pure electron outflow in magnetic reconnection (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakai K.、Moritaka T.、Morita T.、Tomita K.、Minami T.、Nishimoto T.、Egashira S.、Ota M.、Sakawa Y.、Ozaki N.、Kodama R.、Kojima T.、Takezaki T.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Koenig M.、Albertazzi B.、Mabey P.、Woolsey N.、Matsukiyo S.、Takabe H.、Hoshino M.、Kuramitsu Y.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14582-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-power laser experiment on developing supercritical shock propagating in homogeneously magnetized plasma of ambient gas origin (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Matsukiyo,R. Yamazaki T. Morita K. Tomita,Y. Kuramitsu ,T. Sano S. J. Tanaka ,T. Takezaki,Y. Horie, S. Sei K. Sugiyama, K. AiharaS. Kambayashi,M. Ota,S. Egashira,T. Izumi,T. Minami,Y. Nakagawa, K. Sakai,M. Iwamoto,N. Ozaki Y. Sakawa他
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 106 号: 2 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1103/physreve.106.025205
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of current-sheet and bipolar ion flows in a self-generated antiparallel magnetic field of laser-produced plasmas for magnetic reconnection research (2022)
  • 著者名/発表者名: Morita T.、Kojima T.、Matsuo S.、Matsukiyo S.、Isayama S.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Sato Y.、Shiota J.、Pan Y.、Tomita K.、Takezaki T.、Kuramitsu Y.、Sakai K.、Egashira S.、Ishihara H.、Kuramoto O.、Matsumoto Y.、Maeda K.、Sakawa Y.
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 106 号: 5 ページ: 055207-055207
  • DOI: 10.1103/physreve.106.055207
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 多段シンチレータを用いた多核種GeVイオン計測器の開発 －レーザーイオン加速実験における活用とその展望－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 南卓海、時安敦史、郡英輝、安部勇輝、岩崎滉、田口智也、小田和昌、鈴木蒼一郎、浅井孝文、境健太郎、姫野公輔、田中周太、諌山翔伍、金崎真聡、小平聡、福田祐仁、蔵満康浩
  • 雑誌名: ESI－NEWS 巻: 40 ページ: 4-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-power laser experiment forming a supercritical collisionless shock in a magnetized uniform plasma at rest (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki R.、Matsukiyo S.、Morita T.、Tanaka S. J.、Umeda T. et al. (54 authors)
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 105 号: 2 ページ: 025203-025203
  • DOI: 10.1103/physreve.105.025203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Robustness of large‐area suspended graphene under interaction with intense laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuramitsu, T. Minami, T. Hihara, K. Sakai, T. Nishimoto, S. Isayama, Y.T. Liao, K.T. Wu, W.Y. Woon, S.H. Chen, Y.L. Liu, S.M. He, C Y. Su, M. Ota, S. Egashira, A. Morace, Y. Sakawa, H. Habara, R. Kodama, L.N.K. Dohl, N. Woolsey, M. Koenig, M. Kanasaki, T. Asai, T. Yamauchi, K. Oda, Ko. Kondo, H. Kiriyama, Y. Fukuda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 2346-2346
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06055-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 超高強度レーザー生成強磁場による相対論的磁気リコネクション (2024)
  • 著者名/発表者名: 境健太郎
  • 学会等名: レーザー学会 学術講演会 第44回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] レーザー宇宙物理実験: 磁気リコネクションの電子ダイナミクスと波動励起 (2024)
  • 著者名/発表者名: 境健太郎
  • 学会等名: ISEE 共同研究集会 宇宙プラズマとレーザー生成プラズマにおける粒子加速・加熱に関する研究集会
• [学会発表] High-power laser experiment on electron-scale magnetic reconnection and associated wave activities (2024)
  • 著者名/発表者名: 境健太郎
  • 学会等名: 2023年度 物質科学研究討論会
• [学会発表] Electron outflow and whistler waves in whistler waves associated with magnetic reconnection in laser produced plasmas (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: MR2023 Workshop on Magnetic Reconnection
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma and magnetic field measurements with scattering in intense lasers (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: Prospects for High Field Science (PHFS2023) - 79th Fujihara Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic reconnection in laser-produced electron-magnetized plasmas (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: 12th International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Collective Thomson scattering in two-stream plasmas: ion acoustic wave resonances (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 激光XII号レーザーを用いた磁気リコネクション実験における純粋な電子アウトフロー計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 境健太郎
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [学会発表] Local measurements of laser-driven electron-scale magnetic reconnection (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: 13th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic reconnection driven by electron dynamics in laser produced plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: 7th Workshop on Magnetic Fields in Laboratory High Energy Density Plasmas
  • 国際学会
• [学会発表] Thomson scattering measurements in electron-scale magnetic reconnection using high power laser (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Global and local observations of electron outflow in magnetic reconnection using high power laser (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] Local measurements of magnetic reconnection driven by electron dynamics in GEKKO XII laser facility (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: 第39回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Collective Thomson scattering analysis with Markov chain Monte Carlo (2021)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Sakai
  • 学会等名: 1st Workshop on Artificial Intelligence in Plasma Science
  • 国際学会
• [学会発表] Collective Thomson scattering as a diagnostics for non-equilibrium plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai, S. Isayama, T. Morita, S. Matsukiyo, Y. Kuramitsu
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density Science
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic field measurements in electron-scale magnetic reconnection using high power laser (2021)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Sakai, Takumi Minami, Takahiro Nishimoto, Youichi Sakawa, Shunsuke Egashira, Masato Ota, Taichi Morita, Shuichi Matsukiyo, Takuto Kojima, Ryo Yamazaki, Kento Aihara, Kentaro Tomita, Taichi Takezaki, Toseo Moritaka, Yasuhiro Kuramitsu
  • 学会等名: 日本物理学会2021 年秋季大会
• [学会発表] Experimental investigation on electron scale magnetic reconnection with high-power laser (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sakai
  • 学会等名: OPTO 2021 Symposium on Photon and Beam Science