2015年9月2日

本研究成果のポイント

・高輝度X線により超新星爆発など自然界に近い極限状態の原子の世界を初めて実現
・極限状態での原子の振る舞いを解明し、超新星爆発など宇宙で起こっている極限状態を理解する手掛かりとなることに期待
・X線の発生効率を爆発的に上げることが可能となり、より精密なX線非破壊検査や新物質創成など、新たな産業応用への展開も期待

リリース概要

大阪大学未来戦略機構第八部門(光量子科学研究部門)のアナトリーファエノフ教授らの研究グループは、日本原子力研究開発機構(以下、原子力機構)のハイパワーレーザー装置(J-KAREN)を使った研究で、高輝度X線により超新星爆発など自然界に近い極限状態の原子の世界を初めて明らかにすることに成功しました。

これまでにも米国の超大型のX線自由電子レーザー(XFEL)を用いて、X線で極限的な物質状態を作る研究が行われてきましたが、自然に近い強力なX線での極限状態を実現するには至っていませんでした。

この研究成果は、宇宙で起こっている極限状態を理解する手掛かりとなり、さらに、より強いレーザー光を用いることでX線の発生効率を爆発的に上げることが可能となり、新たな産業応用への展開も期待できるものです。

本研究成果は、英国のNature系オンライン科学雑誌「Scientific Report(サイエンティフィックレポート)」に、9月2日(水)午後6時(日本時間)に掲載されました。

研究の詳細

大阪大学未来戦略機構第八部門(光量子科学研究部門)(研究者:アナトリーファエノフ)は、原子力機構の原子力科学研究部門量子ビーム応用研究センター(研究者:西内満美子)等との国際連携研究チームとともに、ハイパワーレーザーを使い、極限状態の原子の世界を初めて明らかにすることに成功しました。

これまでにも米国の超大型のX線自由電子レーザー(XFEL)を用いて、X線発生研究が行われてきましたが、理想的な固体密度のプラズマの実現には至っていませんでした。

今回、研究チームは、世界最高のコントラストを実現している原子力機構のハイパワーレーザー装置(J-KAREN)で、非常に強いレーザー光を固体物質に照射してX線を発生させ、それにより極限状態を創り出す実験を行いました。その結果、1500万度の輻射温度※1 のX線を発生させて、固体密度で300万度の温度のプラズマ状態を実現することに成功しました。そして、強いX線から創り出された極限状態では、内殻電離状態イオン※2 が多数生成され、強力なX線が爆発的に増加していることを発見しました。

(1)強いレーザー光を物質に照射すると、レーザーが当たった領域(黄色の部分: central zone)の原子は一瞬でイオンと電子に分かれます。電子はレーザー光の波の周期的な電場により加速と減速を繰り返され、その際にX線を放出します。

今回、原子力機構の非常に強いレーザー装置(J-KAREN)を用いることで、超大型のX線自由電子レーザーに匹敵するほど強く、しかも自然界での状態に近い高輝度X線の発生に初めて成功しました。

図1 相対主義的なレーザーから生み出された超強力なプラズマの計画図。
(左下)KPSI、JAEAのハイパワーレーザー装置JKARENの写真。

(2)図1において、Central zoneで発生した強いX線は、レーザーが当たっていない周辺部分(Zone1~3)を照らします。図2は、Zone1、2そして3の原子から発せられる光の信号(スペクトル)です。

図2 Los Alamos原子コードにより作成された、理論計算と実験とを比較した図。

(3)さらに、私たちは、レーザーを強くすればX線の発生効率が爆発的に増加(レーザーエネルギーの5~8乗に比例して増加)することも見出しました(図3)。高強度のX線による新たな産業応用への展開も期待できます。

図3 レーザー光量を強くするほど、X線の発生効率が爆発的に増加することを示す図。

本研究成果が社会に与える影響

今回の研究によって、極限状態での原子の振る舞いが解り、超新星爆発など宇宙で起こっている極限状態を理解する手掛かりとなることが期待できます。また、レーザー光の強さを上げれば上げるほどX線の発生効率が爆発的に増加するということも解り、世界に数か所しかない大型施設でしか利用できなかったX線の利用の門戸を広げ、より精密なX線非破壊検査や新物質創成といった産業応用にもつながることと確信しています。

特記事項

本研究成果は、英国のNature系オンライン科学雑誌「Scientific Report(サイエンティフィックレポート)」に、9月2日(日本時間:9月2日(水)午後6時)に掲載されました。

本研究成果は、大阪大学未来戦略機構第八部門(光量子科学研究部門)(研究者:アナトリーファエノフ)、原子力機構の原子力科学研究部門量子ビーム応用研究センター(研究者:西内満美子)、九州大学総合理工学府(研究者:渡辺幸信)、米国のロスアラモス国立研究所(研究者:J. Colgan)、サンディア国立研究所(研究者:S.B. Hansen)及びロシアの合同高温科学研究所(研究者:S. A. Pikuz Jr.)の国際連携研究チームによる共同研究により行われました。

用語解説

※1 輻射温度の比較
太陽の輻射温度 約6000度、超新星爆発の輻射温度 1000万~10億度

※2 内殻電離状態イオン
内殻電子が空っぽになった複雑な状態

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