衝撃圧縮による金属化ダイヤモンドのナノ秒生成

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21J10604
• 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
• 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)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Stanford University
• [国際共同研究] Ecole Polytechnique(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Ecole Polytechnique
• [国際共同研究] University of Rostock(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Rostock
• [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: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 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