東北大ら,プラズマ誕生の瞬間をレーザーで観測

東北大学,京都大学,独ハイデルべルグ大学,広島大学,理化学研究所,高輝度光科学研究センター等による合同研究グループは,X線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLAから供給される非常に強力なX線の照射によって,物質からプラズマが誕生する瞬間を捉えることに成功した(ニュースリリース)。

XFELは10フェムト秒のパルスを生成する超高強度X線源。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の利用研究が期待されている。XFELを物質に照射すると,物質の種類を問わず,プラズマが生成する。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必要となる。

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た。実験では,キセノン原子で構成された原子クラスターにXFELを照射し,ナノプラズマを生成した。このナノプラズマは,ピコ秒程度の時間をかけて徐々に膨張し,最終的には多数の原子イオンを放出して消失する。

生成したナノプラズマに,近赤外レーザーを照射し,放出される多数の原子イオンの収量を計測することで,ナノプラズマの近赤外レーザーに対する応答を調べた。誕生した瞬間のナノプラズマは高い電子密度を持ち,近赤外レーザー光を吸収することは出来ない。しかし,ナノプラズマが徐々に膨張し,その電子密度が低くなると,近赤外レーザーによるプラズマ加熱がおこり,原子イオン収量が増加していく。

二価の原子イオンの収量は,プラズマ膨張,つまりプラズマが消えていく時間スケールで比較的ゆっくりと増加していった。それに対し一価の原子イオンは,XFEL照射後わずか10フェムト秒程度の時定数で突発的に増加した。この突発的な増加は,XFELパルスを照射している間に生成した電子がまだ中性である原子と衝突し,励起原子を生成していることを示しているという。

さらに,この二次的に生成した励起原子は,原子間クーロン緩和によって,別の励起原子からエネルギーを奪い取り,自身はイオン化する。研究では,理論計算で実験結果を再現し,励起原子の生成とそれらの原子間クーロン緩和が,プラズマ誕生に密接に関わっていることを明らかにした。

また,理論計算で観測結果を再現し,励起原子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た。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この知見は,今後のXFEL利用研究に不可欠であるとしている。

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