プラズマ誕生の瞬間を観測

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国際チームがX線自由電子レーザー照射によるプラズマ生成機構を解明

2018/08/03 東北大学多元物質科学研究所,京都大学大学院理学研究科,広島大学大学院理学研究科,理化学研究所,高輝度光科学研究センター

【研究のポイント】

  • 高強度X線自由電子レーザー照射によるプラズマ誕生の瞬間を観測。
  • 実験と理論計算により高強度X線照射プラズマ生成機構を解明。

【概要】

東北大学多元物質科学研究所上田潔教授・福澤宏宣助教のグループ、京都大学大学院理学研究科永谷清信助教のグループ、ドイツのハイデルべルグ大学のローレンツ・セダーバウム教授のグループ、広島大学大学院理学研究科和田真一助教のグループ、理化学研究所放射光科学研究センターXFEL研究開発部門ビームライン研究開発グループ矢橋牧名グループディレクター及び高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室先端光源利用研究グループ実験技術開発チーム登野健介チームリーダー等による合同研究チームは、X線自由電子レーザー(XFEL)*1施設SACLA*2から供給される非常に強力なX線の照射によって、物質からプラズマ*3が誕生する瞬間を捉えることに成功しました。

XFELはわずか10フェムト秒(1フェムト秒は千兆分の1秒)の照射時間という極短パルスを生成する超高強度X線源です。XFELを用いるとこれまでは見ることが出来なかった超高速・超微細な現象を見ることができるため、ライフサイエンスやナノテクノロジー・材料分野をはじめとする幅広い科学技術分野でXFELの利用研究が期待されています。XFELを物質に照射すると、物質の種類を問わず、プラズマが生成します。XFELの有効利用のためには、このプラズマ生成機構とその時間スケールを知ることが不可欠です。

今回の研究では、プラズマの誕生の瞬間に着目し、XFEL照射後、わずか数百フェムト秒の短時間で起こるプラズマ生成過程を観測することに成功しました。また、理論計算で観測結果を再現し、励起原子*4がプラズマ生成のごく初期段階におけるエネルギーと電荷の移動に重要な役割を担っていることを明らかにしました。

本研究で得られた超高強度X線と物質との相互作用が誘起する超高速現象に関する新たな知見は、今後のXFEL利用研究に不可欠であると思われます。

本研究の成果は、2018年8月2日(米国東部夏時間)に発行された米国の科学雑誌『Physical Review X』に掲載されました。

図1 ナノプラズマ誕生のメカニズム。(A)高強度X線が原子クラスターへ照射され、(B)半数以上の原子が複数個の電子を放出し、多価原子イオンになる。(C)イオン化されていない原子が、電子との衝突によりエネルギーを受け取り、励起状態になる。(D)励起原子対の間でエネルギーが移行し、電子がさらに放出される。(E)微小空間内に多数の原子イオンと電子が混在したナノプラズマが生まれる。

【用語解説】

*1 X線自由電子レーザー(XFEL:X-ray Free-Electron Laser)
X線領域で発振する自由電子レーザー(Free-Electron Laser)であり、可干渉性、短いパルス幅、高いピーク輝度を持つ。自由電子レーザーは、物質中で発光する通常のレーザーと異なり、物質からはぎ取られた自由な電子を加速器の中で光速近くに加速し、周期的な磁場の中で運動させることにより、レーザー発振を行う。

*2 SACLA
理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本で初めてのXFEL施設。科学技術基本計画における5つの国家基幹技術の1つとして位置付けられ、2006年度から5年間の計画で整備を進めた。2011年3月に施設が完成し、SPring-8 Angstrom Compact free electron LAserの頭文字を取ってSACLAと命名された。諸外国で稼働中あるいは建設中のXFEL施設と比べて数分の一というコンパクトな施設の規模にも関わらず、0.1ナノメートル以下という世界最短波長のレーザーの生成能力を有する。

*3 プラズマ
空間内に正の電荷をもつイオンと負の電荷をもつ電子が混在している状態。気体、液体、固体に次ぐ第4の状態とも呼ばれる。

*4 励起原子
原子に光や電子などの粒子を衝突させると,原子はエネルギーを受け取り励起状態に移る。このようにしてできたエネルギーを持った原子を励起原子と呼ぶ。

詳細(プレスリリース本文)

問い合わせ先

(研究に関すること)
東北大学多元物質科学研究所
教授 上田 潔(うえだ きよし)

(報道に関すること)
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室

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