2016年7月1日

本研究成果のポイント

・パワーレーザーで地球の核※1 に相当する超高圧状態を生成し、鉄原子配列の高速変化の観察に成功
・これまで、超高圧構造変化にかかわる原子の運動の速さに関する知見はほとんどなかったが、パワーレーザーショック超高圧法※2 とX線分光技術を応用した独自のX線回折イメージング※3 によって実証
・これまで実現されていなかった極端・極限条件下での、新物質、新構造、新物性などの発見に期待

リリース概要

大阪大学大学院工学研究科の尾崎典雅准教授、兒玉了祐教授らと、仏エコールポリテクニークのA. Denoeud博士ならびに仏国立科学研究センターのA. Benuzzi-Mounaix博士らを中心とする日仏英の研究グループは、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターのハイパワーレーザー激光XII号※4 およびエコールポリテクニークLULI研究所のLULI2000レーザーを用いて、地球の核にも相当するような超高圧状態を生成し、超高圧環境下で鉄の結晶構造※5 が高速に大きく変化することを初めて実証しました。

鉄は、人類にとって非常に馴染みの深い金属で、これまで最も調べられてきたと言っても過言ではありませんが、その超高圧下の振る舞いには未だ多くの謎が残されています(図1)。特に、ダイナミックな超高圧下の構造変化そのものを直接見ることはこれまで極めて困難でしたが、本研究グループはパワーレーザーショック超高圧法とX線分光技術を応用した独自のX線回折イメージングによって直接観察し、200万気圧※6 に迫る超高圧下でその構造を明らかにすることに成功しました(図2)

超高圧超高温域の惑星深部環境において様々な物質構造を生成し、調べられることが証明されたことから、物質科学や惑星科学の世界に新たな可能性が開かれるとともに、パワーレーザーを用いた極短時間の超高圧法で、新物質や新構造、新物性などを発現させる、いわば「惑星深部環境を利用した物質工場」のような夢のある応用が期待されます。

本研究成果は、平成28年6月28日(火)午前4時(日本時間)に米国科学アカデミー紀要PNAS誌掲載に先んじてオンラインにて公開されました。

図1 鉄の相関係を表す模式図
実線は既に調べられている相間の境界を表す。ピンクの囲まれた円部分が、今回のレーザー実験で構造変化を直接観察した超高圧領域であり、α相からε相への変化の速さが証明された。波線と「?マーク」の領域は未踏領域であり、今後パワーレーザーで調べられていくことが期待される。α相とδ相は体心立法構造、γ相は面心立法構造、ε相は六方細密構造。

研究の背景

物質に圧力をかけると原子の配列に変化が起こり、結晶の構造が変化することは古くから知られていました。しかしながら、結晶におけるこのような集団的な原子の運動の`速さ`に関する知見はこれまでほとんど得られていませんでした。

鉄は、日常的に利用され、地球の核を構成していることなどから、非常に馴染みが深く、これまで最も調べられてきたと言っても過言ではないのですが、やはりそのダイナミックな極限環境下の振る舞いには多くの謎が残されていました。とりわけ、100万気圧を超える、地球の核をも超えるような超高圧力でどのような構造を持つのか、またその構造の変化がどのような速度で起こるのかは全くの未知の領域になっています。

図2 上は、独自のフラッシュX線※7 回折イメージング部の実験配置模式図。下は、この計測装置を含むハイパワーレーザー照射前の真空容器内部の写真。直径2m程の容器の中心に数mmのターゲットを正確に配置し、レーザーを集光、高圧現象を詳細に観察する。

本研究成果が社会に与える影響

200万気圧にも迫るダイナミックな超高圧の極限環境において物質の構造を変化させられること、そして調べられることが証明されたため、地球の深部だけでなく、相次いで発見される太陽系外の惑星内部※8 で物質がどのような構造をしているかを調べる方法が確立されたと言えます。

さらには、パワーレーザーというツールを用いたナノ秒(10-9秒)やピコ秒(10-12秒)※9 といった極短時間の超高圧環境で、新物質や新構造、新物性などを発見したり発現させたりする、いわば「惑星深部環境を利用した物質・材料工場」のような夢のある応用が期待されます。

特記事項

本研究成果は平成28年6月28日(火)午前4時(日本時間)に米国の科学アカデミー刊行の学術誌PNAS(Proceedings of National Academy of Science of the United States of America)でオンライン公開されました。

題名:「Dynamic X-ray diffraction observation of shocked solid iron up to 170 GPa」
邦訳:「170万気圧までショック圧縮された鉄の動的X線回折観察」
著者:Adrien Denoeud, Norimasa Ozaki, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Hiroyuki Uranishi, Yoshihiko Kondo,Ryosuke Kodama, Erik Brambrink, Alessandra Ravasio, Maimouna Bocoum, Jean-Michel Boudenne,Marion Harmand, François Guyot, Stephane Mazevet, David Riley, Mikako Makita, Takayoshi Sano,Youichi Sakawa, Yuichi Inubushi, Gianluca Gregori, Michel Koenig, and Guillaume Morard

本研究成果は、日本学術振興会の研究拠点形成事業「X線自由電子レーザーとパワーレーザーによる極限物質科学国際アライアンス」、文部科学省委託事業のX線自由電子レーザー重点戦略研究課題「XFELとパワーレーザーによる新極限物質材料の探索」、および大阪大学国際共同研究促進プログラム日仏連携「光・量子ビーム技術による高エネルギー密度物質探査に関する日仏連携研究」に基づくものです。

また本研究成果は、フランス国立科学研究センターからも平成28年6月30日(木)にプレスリリースされました。

用語解説

※1 地球の核
地球の中心部(核)は、薄い地殻と厚いマントルに覆われ、液体と固体の鉄合金からなる2層構造と考えられています。地表から約3000km以上の深部であり、核の中心は約350万気圧にも達します。

※2 パワーレーザーショック超高圧法
パワーレーザーを集光照射すると、物質の表面が瞬時に蒸発し爆発的に膨張します。この膨張の反作用として、物質そのものがロケットのように推進力を得ます。この推進力で加速される物質の速度が音速の領域を超えると、物質内部に衝撃波(ショック)が駆動され超高圧が生成されます。

※3 回折イメージング
原子が周期的に並んでいる物質にX線を入射させると、X線の波長と入射角に依存した位置に強いX線の散乱が観測されます。この現象をX線回折といい、このX線の回折パターンを記録(イメージング)することで物質内部の原子の並び方を決定することができます。

※4 ハイパワーレーザー激光XII号
大阪大学が所有し、日本で稼働する唯一の大型レーザーです。宇宙物理や惑星科学、極限物質科学、核融合科学、そしてこれらを含む分野横断的学問である高エネルギー密度科学がこのレーザーを用いて展開されています。

※5 結晶構造
物質は圧力と温度に応じて固体や液体に姿を変えます。物質固有の凝固点を下回ると、多くの物質において原子が秩序的に並んだ結晶構造が現れることが知られています。

※6 200万気圧
私たちの暮らす地表は1気圧の圧力です。マリアナ海溝の超深海が約1000気圧、地球の中心が350万気圧程度とされています。

※7 フラッシュX線
計測器もしくは計測法に対して十分に短い時間で発光させるX線光源のことです。

※8 太陽系外惑星
太陽系の外にある惑星。観測技術の進歩により、1990年代以降、1000以上の系外惑星が見つかっています。

※9 ナノ秒(10-9秒)およびピコ秒(10-12秒)
一秒間に地球を7周半できる光が、1ナノ秒だと約30センチ、1ピコ秒だとさらにその1/1000しか進めない非常に短い時間です。この極めて短い時間の中にエネルギーを集中するので、トータルでは非常に小さいエネルギーで前人未到の超高圧を生成することができます。

参考URL

大阪大学大学院 工学研究科 兒玉研究室HP
http://www.eie.eng.osaka-u.ac.jp/ef/kyoju.html

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