大阪大学大学院工学研究科の大学院生の片桐健登さん（同研究科博士後期課程、文科省委託事業特任研究員）と尾崎典雅准教授らの研究グループは、大阪大学レーザー科学研究所の大型レーザー装置激光XII号を用いて、常温常圧下において透明なダイヤモンドを高速大変形させ、圧縮の増加に伴って光学的に不透明になっていく様子などをリアルタイムに直接観察しました。

ダイヤモンドはその硬さに代表されるように、優れた特性を有するユニークな物質です。天然のダイヤモンドは、地球深部や天体衝突時の超高温度・超高圧力の極限環境下で生成することが知られています。この極めて硬いダイヤモンドを圧縮し、物性を調べるためには、高強度パルスレーザーを用いた動的圧縮が唯一の手法となります。本研究チームは国内最大パルス出力の激光XII号レーザーを用いた実験により （図1a） 、550万気圧までの極限環境におけるダイヤモンドの光学特性を測定することに初めて成功しました。

今回得られたデータから、ダイヤモンドは170万気圧を超える動的高圧力が付加され、体積が20%程度小さくなると、可視光に対して急激に不透明になることがわかりました （図1b） 。また、圧力が高くなるほど屈折率が上昇していくことも明らかとなりました。このことは、高速の天体衝突やレーザー核融合などに関連する動的過程において、ダイヤモンドの光の吸収や反射の振る舞いが大きく変化することを意味しています。

本研究成果は2020年5月11日（日本時間）に、米国物理学会刊行の学術誌 Physical Review B での掲載に先立ちオンライン公開されました。

図1　（a）高強度レーザーを用いた実験系の概念図。（b）本研究で明らかとなったダイヤモンド透過率の圧力依存性。

ダイヤモンドは極めて高い硬度のみならず、高い透過率や屈折率などユニークな光学的特性を有することが知られています。物質材料科学や地球惑星科学、レーザー核融合工学などの分野横断的科学の最先端において、ダイヤモンドが広く利用されていますが、必要不可欠な動的超高圧下の光学特性は十分に理解されていませんでした。

本研究グループは高強度パルスレーザーを用いた動的超高圧実験で、結晶状態のダイヤモンドを数ナノ秒 の非常に短い時間に圧縮して光のドップラー効果 を利用した独自の観測システムによって、圧縮状態を決定しながら透過率および屈折率の測定をリアルタイムで行うことに成功しました。その結果、ダイヤモンドはおよそ90万気圧の圧力域までは初期の透過率から変化がないこと、90万気圧から170万気圧の圧力域では有意な変化が現れはじめ、170万気圧を超える圧力域ではほぼ完全に不透明となることが明らかとなりました。また、透明な170万気圧までの圧力域では、これまでの静的圧縮下の結果に反して、圧力の上昇に伴ってダイヤモンドの屈折率が上昇することもわかりました。

極限的な静的超高圧を生成するためのツールのひとつとして、ダイヤモンドアンビルセル がよく知られています。近年、このダイヤモンドアンビルセルと高強度パルスレーザー駆動の動的超高圧を組み合わせた実験が各国で進められています。本成果は、ダイヤモンドアンビル内部で起こる動的超高圧現象を直接観察する上で必要不可欠な基礎的物性を提供します。また、セラミックス材料あるいは高硬度材料のパルスレーザーによるプロセスや加工を正確に理解し、シミュレートするための貴重な知見とも言えます。

本研究成果は2020年5月11日（日本時間）に、米国物理学会刊行の学術誌 Physical Review B での掲載に先立ちオンライン公開されました。

題名：「Optical properties of shock-compressed diamond up to 550GPa」
邦訳：「衝撃圧力550GPaまでのダイヤモンドの光学特性」
著者：K. Katagiri, N. Ozaki, K. Miyanishi, N. Kamimura, Y. Umeda, T. Sano, T. Sekine, and R. Kodama

本研究は、大阪大学レーザー科学研究所との共同利用・共同研究のもとに実施されました。また、文部科学省の“光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）”「光量子科学によるものづくりCPS化拠点JPMXS0118067246」、日本学術振興会の科学研究費補助金の助成、および株式会社コンポン研究所の支援を受けて行われました。