平成 28 年 7 月 1 日 然科学系 キーワード：ハイ キ イパワーレーザ ザー・鉄・相転 転移・地球深部 部・高エネル ルギー密度 分野：自然 パワーレーザ ザーの超 超高圧力 力下で、鉄原子 子配列が が高速変 変化！ -夢の技術“惑星深部環境を地上 上で利用した た「物質・材料 料工場」”実 実現に近づ づく本研究成 成果のポイン ント ● パワーレー ーザーで地球 球の核※1 に相当する超高圧 圧状態を生成 成し、鉄原子配 配列の高速変 変化の観察に に成功 ● これまで、 、超高圧構造 造変化にかかわる原子の運 運動の速さに関する知見は はほとんどなか かったが、パワ ワーレーザーシ ョック超高 高圧法※２と X 線分光技術を応用した独 独自の X 線回 回折イメージン ング※３によって て実証。 ● これまで実 実現されていな なかった極端 端・極限条件下 下での、新物質、新構造、新物性などの の発見に期待 待。 概要 大阪大学大 大学院工学研 研究科の尾崎 崎典雅准教授 授、 兒玉了祐教授 兒 授らと、仏エ コールポリテ テクニークの A. Denoeud 博士 士ならびに仏国 国立科学研究 究センターの A. Benuzzi-Mounnaix 博士らを を中心とする日 日仏英の研究 究グ ループは、大阪 ル 阪大学レーザ ザーエネルギー ー学研究セン ンタ ーのハイパワー ー ーレーザー激光 XII 号※４およびエコール お ルポ リテクニーク LULI 研究所の の LULI2000 レーザーを用 用い て、地球の核に て にも相当する るような超高圧 圧状態を生成 成し、 超高圧環境下 超 下で鉄の結晶 晶構造※５が高速に大きく変 変化 することを初め す めて実証しまし した。 鉄は、人類 類にとって非常 常に馴染みの深い金属で、 、こ れまで最も調べ れ べられてきた たと言っても過 過言ではありま ませ んが、その超高 ん 高圧下の振る る舞いには未だ多くの謎が が残 されています（ さ （図１）。特に 、ダイナミック クな超高圧下 下の 構造変化その 構 のものを直接見 見ることはこれ れまで極めて て困 難でしたが、本 難 本研究グルー ープはパワーレ レーザーショッ ック 超高圧法と 超 X 線分光技術 術を応用した独 独自の X 線回 回折 ※6 イメージングに イ によって直接観 観察し、200 万気圧 万 に迫 迫る 超高圧下でそ 超 その構造を明ら らかにすること とに成功しまし した 図１ 鉄の相関係を表 鉄 表す模式図。 実線は は既に調べられている相間の境 境界を表す。ピン ンクの囲まれ た円部 部分が、今回のレ レーザー実験で で構造変化を直 直接観察した 超高圧 圧領域であり、α α相から ε 相 への変化の速さ さが証明され た。波線と「？マーク」の領域は未踏 踏領域であり、今 今後パワーレ ーザー ーで調べられていくことが期待 される。α相と とδ相は体心 立法構 構造、γ相は面心立法構造、ε ε相は六方細密 密構造。 （図２）。 高温域の惑星 星深部環境において様々な な物質構造を を生成し、調べ べられることが が証明された たことから、物質 質 超高圧超高 科学や惑星科 科 科学の世界に新たな可能性 性が開かれる るとともに、パワ ワーレーザーを用いた極短 短時間の超高 高圧法で、新物 物 質や新構造、 質 を発現させる、 、いわば「惑星 星深部環境を を利用した物質工場」のよ ような夢のある る応用が期待 待さ 新物性などを れます。 れ 果は、平成 28 8 年 6 月 28 日(火)午前 4 時（日本時間）に米国科 科学アカデミー ー紀要 PNAS 誌掲載に先ん 本研究成果 じてオンライン じ ンにて公開され れました。 研究の背 背景 物質に圧力 力をかけると原 原子の配列に に変化が起こ り、結晶の 構造が変化す 構 することは古くから知られて ていました。しか かしながら、 結晶における 結 集団的な原子の運動の`速 速さ`に関す このような集 る知見はこれま る までほとんど得 得られていませんでした。 鉄は、日常的に利用され れ、地球の核を構成してい いることなど から、非常に馴 か 馴染みが深く く、これまで最 最も調べられて てきたと言 っても過言では っ はないのですが、やはりその のダイナミック クな極限環 境下の振る舞 境 舞いには多くの の謎が残され れていました。 とりわけ、 100 万気圧を を超える、地球 球の核をも超え えるような超高 高圧力でど のような構造を の を持つのか、ま またその構造 造の変化がどの のような速 度で起こるのか 度 かは全くの未知 知の領域にな なっています。 本研究成 成果が社会 会に与える影 影響 200 万気圧 圧にも迫るダイ イナミックな超 超高圧の極限 限環境にお いて物質の構 い 造を変化させ せられること、そして調べら られることが 証明されたため 証 め、地球の深 深部だけでなく く、相次いで発 発見される 太陽系外の惑 太 惑星内部※8 で物質がどのよ で ような構造を しているか を調べる方法 を が確立された たと言えます。 パワーレーザー ーというツール ルを用いたナ ナノ秒（10-9 さらには、パ 秒）やピコ秒（1 秒 10-12 秒）※９といった極短時 と 時間の超高圧 圧環境で、 図 2 上は、独 独自のフラッシュ ュ X 線※7 回折イメージング部 の実験配置模 模式図。下は、 この計測装置を を含むハイパワ ーレーザー照 照射前の真空容 容器内部の写真 真。直径 2m 程 の容器の中心 心に数 mm のター ーゲットを正確に配置し、レー ザーを集光、高圧現象を詳 詳細に観察する。 。 新物質や新構 新 構造、新物性などを発見し したり発現させ せたりする、 いわば「惑星深 い 深部環境を利 利用した物質・ ・材料工場」の のような夢のあ ある応用が期 期待されます。 特記事項 項 本研究成果 果は平成 28 8 年 6 月 28 2 日(火)午 午前 4 時(日 日本時間）に に米国の科学 学アカデミー刊 刊行の学術誌 誌 my of Scienc e of the Unitted States of America)で でオンライン公 公開されました た。 PNAS(Proceedings of National Academ 題名：「Dynam 題 mic X-ray diffraction observation of sshocked solid d iron up to 170 GPa」 邦訳：「170 邦 万 万気圧までショ ョック圧縮され れた鉄の動的 的 X 線回折観 観察」 著者：Adrien 著 D Denoeud, Norrimasa Ozaki, Alessandraa Benuzzi-Mo ounaix, Hiroyuki Uranishi, Yoshihiko Ko ondo, Ryosuk ke Kodama, K Erik Brambrink, Alessandra A Ra avasio, Maim ouna Bocoum m, Jean-Mich hel Boudennee, Marion Harm mand, Franço ois Guyot, G Stephaane Mazevett, David Riley y, Mikako Ma kita, Takayo oshi Sano, Yo ouichi Sakaw wa, Yuichi Inubushi, Gianlucca Gregori, G Micheel Koenig, annd Guillaume Morard 本研究成果は、日本学術 術振興会の研 研究拠点形成 成事業「X 線自 自由電子レーザーとパワー レーザーによ よる極限物質科 科 学国際アライア 学 アンス」、文部 部科学省委託 託事業の X 線 線自由電子レー ーザー重点戦 戦略研究課題 題「XFEL とパワ ワーレーザーに よる新極限物 よ 質材料の探索 索」、および大 大阪大学国際 際共同研究促 促進プログラム ム 日仏連携 「光・量子ビー ーム技術によ よる 高エネルギー 高 密度物質探査 査に関する日 日仏連携研究 究」に基づくもの のです。 究成果は、フラ ランス国立科学 学研究センタ ーからもプレス スリリースされ れる予定です。 。 また本研究 用語解説 説 *１ 地球 球の核 地球の中 中心部（核）は、薄い地殻と と厚いマントル に覆われ、液 液体と固体の鉄 鉄合金からな なる 2 層構造と考えられてい ます。地表 表から約 300 00 km 以上の の深部であり、 、核の中心は は約 350 万気 気圧にも達しま ます。 ーレーザーショック超高圧法 *２ パワー パワーレー ーザーを集光 光照射すると、 、物質の表面 面が瞬時に蒸発し爆発的に に膨張します。 。この膨張の反作用として て、 物質その のものがロケットトのように推進 進力を得ます す。この推進力 力で加速される る物質の速度 度が音速の領 領域を超えると と、 物質内部 部に衝撃波（シ ショック）が駆動 動され超高圧 圧が生成されます。 *３ 回折 折イメージング 原子が周 周期的に並んで でいる物質に に X 線を入射 射させると、Ｘ線の波長と入 入射角に依存 存した位置に強 強いＸ線の散乱 乱 が観測されます。この現象をＸ線回 回折といい、こ この X 線の回 回折パターンを を記録（イメー ジング）するこ ことで物質内部 部 の並び方を決定 定することがで できます。 の原子の パワーレーザー ー激光 XII 号 *４ ハイパ 大阪大学 学が所有し、日 日本で稼働す する唯一の大型 型レーザーで です。宇宙物理 理や惑星科学 学、極限物質 質科学、核融合 合 科学、そしてこれらを含 含む分野横断 断的学問であ ある高エネルギー密度科学 学がこのレー ザーを用いて て展開されてい ます。 *５ 結晶構造 変えます。物 圧力と温度に応 応じて固体や や液体に姿を変 物質固有の凝固点を下回る ると、多くの物 物質において原 原 物質は圧 子が秩序 序的に並んだ結 結晶構造が現 現れることが知 知られています す。 *６ 200 万気圧 暮らす地表は は 1 気圧の圧 圧力です。マリ リアナ海溝の超 超深海が約 1000 1 気圧、地 地球の中心が が 350 万気圧 圧 私たちの暮 程度とされ れています。 *７ フラッ ッシュ X 線 計測器も もしくは計測法 法に対して十分 分に短い時間 で発光させる る X 線光源の のことです。 陽系外惑星 *８ 太陽 太陽系の の外にある惑星 星。観測技術 術の進歩により り、1990 年代 代以降、1000 0 以上の系外 外惑星が見つかっています す。 *９ ナノ秒 秒（10-9 秒）お およびピコ秒（10-12 秒） 一秒間に に地球を 7 周半 半できる光が が、1 ナノ秒だと と約 30 センチ チ、1 ピコ秒だ だとさらにその 1/1000 しか か進めない非常 常 に短い時 時間です。この の極めて短い時 時間の中にエ エネルギーを集 集中するので で、トータルで では非常に小さ さいエネルギー ー で前人未 未到の超高圧を生成するこ ことができます す。
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