高エネルギー密度物質準安定相生成と凍結機構解明

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22224012
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 兒玉 了祐 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (80211902)
• 研究分担者: 佐野 智一 大阪大学, 大学院・工学研究科, 准教授 (30314371) ; 荒河 一渡 島根大学, 総合理工学研究科, 准教授 (30294367) ; 尾崎 典雅 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教 (70432515)
• キーワード: 高エネルギー密度 / パワーレーザー / 高圧物性 / 新物質材料 / 準安定相

研究概要

研究の目的
高出力レーザーでテラパスカル以上の圧力を実現し、地上に存在していない高エネルギー密度状態のダイヤモンドを生成しその物性を明らかにする。さらに高エネルギー密度状態としてすでに取り出しに成功している金属シリコンをもとに、非平衡・超高圧状態で実現できる高エネルギー密度新物質準安定相の凍結機構を明らかにし、大気圧状態で安定な高エネルギー密度ダイヤモンドの可能性を探索する。
本年度(～平成24年3月31日)の成果
[高密度ダイヤモンドの生成]高密度ダイヤモンドを生成するための最適化と高圧ダイヤモンドの診断
・小さなレーザーエネルギーでより低温状態を保ちながら超高圧を実現する多重衝撃波圧縮法を波形整形されたレーザーパルスで行い0.8TPaを実現した。(当初計画から前倒し)
・ダイナミック診断システムにより高密度ダイヤモンドの状態をその場診断法で評価した。また周波数域干渉法(FDI)によりフェムト秒時間分解で圧縮過程・圧力解放過程に関する診断も開始した。さらにパワーレーザー圧縮で生成した液体金属炭素の状態をX線散乱計測により初めて明らかにした。(当初計画から前倒し)
[金属シリコン準安定相凍結評価]
・圧力負荷速度および解放速度が高圧相凍結性に及ぼす影響を調べるために、ナノ秒レーザーを用いて圧力負荷速度が疑静圧縮的である等エントロピー圧縮法によって高圧状態に達したシリコンを回収することに成功し非平衡圧縮により生成されたシリコンとの違いを明らかにした。
・また非平衡圧縮における圧力開放、冷却過程ダイナミック診断し高エネルギー密度物質凍結の詳細を明らかにすることを目的に23年度より利用可能なX線自由電子レーザーを用いたX線構造解析の準備実験を開始した。(当初計画から前倒し)
以上、23年度実施状況は、次年度以降の計画前倒しが可能なほど当初予定以上の成果が得られた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

海外のパワーレーザーを利用することで多段衝撃波圧縮法の実現と有効性を当初予定より早く実証できた。また液体金属炭素をレーザープラズマX線による散乱計測で診断することに成功したことで液体金属炭素の物性を当初予定より早く明らかにすることができた。さらにX線自由電子レーザー施設との連携でTWレーザーを整備することができ非平衡圧縮ダイナミックスのX線構造解析を行える環境が当初計画になく整得ることができた。

今後の研究の推進方策

本計画は当初予定以上に進展できている。また新たにX線自由電子レーザーという世界競争力ある施設での展開の可能性が出てきた。さらに高圧理論シミュレーション、産業応用、惑星科学などの研究者との連携準備も整っている。このような状況において本予算で全てをカバーすることはできない。これらを考慮し、本計画を当初予定していた4年計画から3年で終了し総括すると共に、国際競争力あるX線自由電子レーザーを本格的に利用するなどして、本研究成果をさらに発展させることが望まれる。ポストダイヤモンドなど新物質創生のみならず産業応用、惑星科学などとも連携した研究開発を特別に推進できる計画に変更する必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] 赤外速度干渉計によるシリコン中を伝搬する衝撃波面直接観測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 横山尚也, 尾崎典雅, 佐野智一, 曽田智史, 木村友亮, 宮西宏併, 浅海雄人, 浦西宏幸, 佐野孝好, 坂和洋一, 廣瀬明夫, 児玉了祐
  • 雑誌名: Plasma Fusion Res 巻: (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of High-Density Dislocations and Hardening in Femtosecond-Laser-Shocked Silico (2012)
  • 著者名/発表者名: Masashi Tsujino, Tomokazu Sano, Tomo Ogura, Masayuki Okoshi, Narumi Inoue, Norimasa Ozaki, Ryosuke Kodama, Kojiro F.Kobayashi, Akio Hirose
  • 雑誌名: Appl.Phys.Express 巻: Vol.5 ページ: 022703_1-022703_3
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光を使った高エネルギー密度科学の展開 (2012)
  • 著者名/発表者名: 児玉了祐
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: Vol.67, No.3 ページ: 156-163
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature measurements of Electrostatic Shocks in laser-produced counter-streaming plasmas (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Morita, Y.Sakawa, Y.Kuramitsu, H.Tanji, H.Aoki, T.Ide, S.Shibata, N.Onishi, C.Gregory, A.Diziere, J.Waugh, N.Woolsey, Y.Sano, A.Shiroshita, K.Shigemori, N.Ozaki, T.Kimura, K.Miyanishi, R.Kodama, M.Koenig, H.Takabe
  • 雑誌名: Astrophys Space Sci 巻: Vol.336, No.1 ページ: 283-286
  • DOI: 10.1007/s10509-010-0525-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of submicron metastable phase of silicon using femtosecond laser-driven shock wave (2011)
  • 著者名/発表者名: Masashi Tsujino, Tomokazu Sano, Osami Sakata, Norimasa Ozaki, Shigeru Kimura, Shingo Takeda, Masayuki Okoshi, Narumi Inoue, Ryosuke Kodama, Kojiro F.Kobayashi, Akio Hirose
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 巻: Vol.110, No.12 ページ: 126103_1-126103_3
  • DOI: 10.1007/s10509-010-0525-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Verification of Rate Equation for Recombination between Self-interstitial Atoms and Vacancies (in Japanese) (2011)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Amino, Kazuto Arakawa, Hirotaro Mori
  • 雑誌名: J.Japan Inst.Metals 巻: Vol.75, No.8 ページ: 460-464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction Rate between 1D migrating Self-Interstitial Atoms : An Examin ation by Kinetic Monte Carlo Simulation (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Amino, K.Arakawa, H.Mori
  • 雑誌名: Philos.Mag. 巻: Vol.91, No.24 ページ: 3276-3289
  • DOI: 10.1080/14786435.2011.575411
  • 査読あり
• [学会発表] Collisionless shock generation in an extemal magnetic eld by using high-power laser system (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Morita, Y.Sakawa, Y.Kuramitsu, T.Ide, K.Nishio, M.Kuwada, H.Ide, K.Tsubouchi, H.Yoneda, A.Nishida, T.Namiki, H.Tanji, T.Norimatsu, K.tomita, K.Nakayama, K.Inoue, K.Uchino, C.Gregory, M.Nakatsutsumi, H.Nakatsutsumi, A.Pelka, A.Diziere, M.Koenig, K.Schaar, G.Gregory, S.Wang, D.Yuan, Q.Dong, H.Takabe
  • 学会等名: Plasma Conference 2011
  • 発表場所: Kanazawa Japan
  • 年月日: 2011-11-24
• [学会発表] Front Edge of High Energy Density Science with High Power Laser (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Kodama
  • 学会等名: Plasma Conference 2011
  • 発表場所: Kanazawa JAPAN(基調講演)
  • 年月日: 2011-11-23
• [学会発表] Collisionless shock experiments using high-power laser systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Sakawa, Y.Kuramitsu, T.Morita, H.Tanji, T.Ide, K.Nishio, M.kuwada, K.Tsubouchi, H.Ide, S.Shimazaki, T.taguchi, T.Kato, N.Ohnishi, A.mizuta, T.Sano, T.Norimatsu, N.Ozaki, R.Kodama, A.Nishida, T.Namiki, H.Yoneda, K.Nakayama, K.Tomita, K.Uchino, S.Wang, Q.Dong, Y.Li, C.Gregory, N.Woolsey, K.Schaar, C.Murphy, G.Gregory, A.Diziere, A.Pelka, M.Koenig, H.Park, S.Ross, N.Kugland, D.Ryutov, B.Remington, A.Spitkovsky, D.Froula, H.Takabe
  • 学会等名: Plasma Conference 2011
  • 発表場所: Kanazawa, Japan(招待講演)
  • 年月日: 2011-11-23
• [学会発表] Exploring of Exotic High Energy Density States with High Power Laser (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Kodama
  • 学会等名: Korea Physical Society Division of Plasma Physics (KPS-DPP)
  • 発表場所: Pusan Korea(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-20
• [学会発表] In-Situ Transmission Electron Microscopy Studies on the Dynamic Beha viors of Materials (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Mori, K.Arakawa, J.G Lee, C.L.Chen
  • 学会等名: IEEE NMDC 2011
  • 発表場所: Jeju, Korea(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-18
• [学会発表] R & D on High Power Lasers in Osaka University and its Contribution to Sciences (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Kodama
  • 学会等名: The 3^<rd> International Conference on Laser Peening and Related Phenomena
  • 発表場所: Osaka JAPAN(基調講演)
  • 年月日: 2011-10-11
• [学会発表] パワーレーザー科学-高エネルギー密度科学- (2011)
  • 著者名/発表者名: 児玉了祐
  • 学会等名: 日本学術会議第2回先端フォトニクスシンポジウム
  • 発表場所: 日本学術会議第2回先端フォトニクスシンポジウム(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-07
• [学会発表] High-energy Electron Irradiation of Metals : Effects of High-Dose Rate and Properties of Single Point Defect (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Arakawa
  • 学会等名: Workshop on Ion Implantation as a Neutron Irradiation Analogue
  • 発表場所: Oxford University, UK(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-26
• [学会発表] Cutting Edge of High Energy Density Sciences with High Power Laser (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Kodama
  • 学会等名: Northeastern Asian Symposium on Plasma Fusion
  • 発表場所: Daejeon Korea(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-25
• [学会発表] Extreme Hugoniot/off-Hugoniot measurements for carbon and water with optical/x-ray diagnostics (2011)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Ozaki
  • 学会等名: International Workshop on Warm Dense Matter-2011
  • 発表場所: California, USA(招待講演)
  • 年月日: 2011-06-08
• [学会発表] On the EOS of material relevant to planetary physics (2011)
  • 著者名/発表者名: Norimasa Ozaki
  • 学会等名: International Workshop on Warm Dense Matter-2011
  • 発表場所: the Asilomar Conference Grounds(Pacific Grove, USA)
  • 年月日: 2011-06-08
• [学会発表] Frontiers of High Energy Density Sciences with High Power Laser (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Kodama
  • 学会等名: International Symposium on Plasma Turbulence, Imaging, Synergy
  • 発表場所: Kyushu University(招待講演)
  • 年月日: 2011-06-07