研究課題
パワーレーザー照射による超高速圧縮により異常格子状態を発現させ、X線自由電子レーザーをプローブに用いたポンププローブ実験によって、フェムト秒時間分解リアルタイムその場観察による異常格子ダイナミクスの実証解明を目指し研究を遂行した。レーザープラズマX線を用い行われてきた研究をX線自由電子レーザーによるXRDイメージングに拡張した実験を行い、層状物質として典型的なグラファイトの高配向性グレード試料を用いて、レーザー駆動超高速一軸圧縮下の異常弾性状態における格子間距離の変化を、原子レベルフェムト秒分解X線回折により世界で初めて観測することに成功。通常の静的圧縮下における準一軸圧縮環境で実現される層間距離に比べ、10倍以上の高圧縮が実現されている事が明らかになった。この層間距離異常短縮によって、グラファイト層間に直接化学結合が形成され、立方晶ではなく、六方晶ダイヤモンドが生成することが明らかになった。またピコ秒レベルで時間進展を観察することで、この生成過程およびメカニズムが全く異なる独立な2タイプに別れることがわかった。層状物質において異常格子状態を経た物質の変形・構造変化過程の全貌を実験的に明らかに出来たと言える。独自に構築した速度干渉計などのシステムを利用して、高時間分解で自由表面速度の時間進展を計測し、異常弾性状態の前駆波が伝播していることを独立に観測することにも成功した。従来の動的圧縮技術で測定されている弾性限界以上の異常弾性一軸圧縮状態が生成している事と矛盾しない結果が得られた。一方で層間の異常短縮にも関わらず有意な光反射率の上昇は観測されなかった。当該計画で初めて着手したグラファイト一軸圧縮の第一原理計算手法による電子状態の解析により、吸収率の上昇が確認されたことから光反射率計測の実験結果と整合性があることがわかった。以上に基づき、米国物理学会で反響を呼ぶ研究報告を行う事ができ、新たな基盤的研究計画を提案できる以上の成果が得られたといえる。
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