ダイヤモンド-BC8 相転移のその場観察 : 新たな炭素同素体の探索
In-situ observation of diamond-BC8 transition: Search for a new carbon allotrope
所属機関：Stanford University
代表研究者氏名：片桐健登
研究期間：2022 年 8 月 1 日～2023 年 7 月 31 日
滞在研究機関： Department of Materials Science and Engineering, Stanford University
CA 94305, United States
共同研究者等： Prof. Leora E. Dresselhaus-Marais

Carbon is often referred to as “the king of elements” because of its excellent properties and thus extensive effort
has been put on the search for new carbon allotropes for centuries. Previously reported molecular dynamics simulations
predicted the existence of the BC8 form of carbon at extreme pressures. The initial plan of this work is to observe thediamond-BC8 phase transition by loading extreme pressures on diamond by using a high-power optical laser. However,the peak pressure we could apply to diamond did not reach the predicted phase transition threshold and thus the formationof the BC8 carbon still remains elusive. Instead of aiming the observation of the transition at high-pressures, we used xray radiography technique on laser-shocked diamond to visualize the ultrafast deformation dynamics behind the shockwaves. Our observation visualizing the formation of stacking faults behind a shock-wave shows existence of dislocations
propagating faster than the shear sound wave speed of the diamond.
研究目的

到達できないような極めて高い圧力である。そのた

グラファイトやダイヤモンドに代表される炭素のめにレーザー衝撃圧縮実験は高圧力科学や惑星科学、同素体は優れた機械的・物理的・化学的性質を示す材料科学といった分野に貢献してきたが、衝撃波がことから、新たな炭素同素体の探索は材料科学にお物質を圧縮する時間は典型的に数ナノ(10-9)秒のタける重要課題である。近年の分子動力学計算によれイムスケールであることから、物質が受ける変形のば、1 TPa(テラパスカル)を超える圧力域において単高速なダイナミクスを観察する手法は限られており、体の炭素は BC8 構造が最も安定な構造になると予測

そのダイナミクスに関する明確な理解がなされない。

されており、このような超高圧力下における炭素の本報告書では、フェムト(10-15)秒の極めて短いパル構造を実験的に観察するような研究に期待が集まる。 ス 幅 を 持 つ X 線 自 由 電 子 レ ー ザ ー (X-ray Free
本研究は当初、高強度レーザーを用いた衝撃圧縮技

Electron Laser, XFEL)を用いた超高速イメージング計術を用いて、このダイヤモンド-BC8 相転移を観察す測により、レーザー衝撃圧縮を受けたダイヤモンドることを目標としていた。しかしながら、1 TPa を超のナノ秒スケールの変形ダイナミクスを可視化したえる圧力をダイヤモンドに加えながら X 線回折計測実験結果について報告する。

によるその場構造解析を行うことが想定以上に困難であることが分かったため、この研究は中止するこ研究経過とにした。本報告書では、研究内容を転換して得ら

本実験は、理化学研究所播磨事業所の相互利用実れた、衝撃圧縮下のダイヤモンドの X 線イメージン

験施設内に展開された動的超高圧力研究プラットフ

グ計測の実験結果について報告する。申請時の研究

ォームにおいて行った。このプラットフォームでは、計画とは異なる研究内容になることをご了承いただ

理化学研究所 SACLA の XFEL と高強度レーザーがきたい。

時間的かつ空間的に同期されており、高強度レーザ高強度のレーザーを物質に照射すると、衝撃波がー駆動の衝撃圧縮を受けた物質の高速な変形ダイナ誘起される。この衝撃波が物質を伝搬しながら圧縮ミクスを高輝度かつ短パルスの XFEL で時間分解計する際に発生する圧力は、他の高圧力印加手法では測することが可能である。

実験試料には、化学気相成長法により合成された
タイプ IIa 単結晶ダイヤモンドを用いた。この単結晶3察されたものであると考えられる。
Fig. 1 に示した X 線ラジオグラフの図は、ナノ秒ダイヤモンドを 2 x 0.5 x 0.2 mm に切り出した。ここスケールで高速に発生する衝撃圧縮ダイナミクスので衝撃波の伝搬方向の厚みが 0.2 mm、XFEL の照射ある瞬間を XFEL により観察した結果である。X 線方向の厚みが 0.5 mm である。ダイヤモンドの面方位の照射タイミングを変えて計測することで、衝撃波の依存性を調べるために、衝撃圧縮方向に沿ってが伝播し、その裏面にある積層欠陥の線が伸びてい[100]、[110]、[111]の 3 種類を用意した。このダイヤく様子をスナップショットをとるように時間分解計

モンドのレーザ照射面に 0.05 mm 厚のポリプロピレ測できる。これにより、積層欠陥の線が伸びていくンを貼り付けた。このポリプロピレンはレーザーに速度を計測したところ、その速度は 16 km/s を超えより発生する衝撃波の波頭を切り立たせる効果と、ることが明らかになった。結晶中の積層欠陥の端は圧力を増加させる効果がある。

部分転位であることから、この速度は部分転位の伝衝撃圧縮を受けたダイヤモンド試料のその場 X 線搬速度に等しい。計測された 16 km/s という速度は、ラジオグラフ計測により得られた典型的な画像を単結晶ダイヤモンドの横波の音速より速く、かつ縦Fig. 1 に示す。この例では[110]面が衝撃圧縮方向に波の音速よりも遅いことから、ダイヤモンド中の部沿うようにダイヤモンドを切り出してある。画像で分転位が遷音速(Transonic)で伝搬していることが実は高強度レーザーが下側から照射され、衝撃波が下験的に明らかになった。

から上に向かって伝搬している。画像下部に見える
黒い横線はポリプロピレンである。ポリプロピレン
よりも上の領域はダイヤモンド試料を透過した X 線
強度の空間分布を示しており、衝撃波が弾性波と塑性波の 2 波に別れて伝搬していることが分かる。図中に Elastic wavefront と Inelastic wavefront と記した曲線が、それぞれ弾性波と塑性波の衝撃波面である。
なお画像中で弾性波より上側の領域は衝撃波が未到達で圧縮を受けていないダイヤモンドの領域である。
塑性波の裏側には、衝撃波の伝搬方向に対して斜Fig. 1 X-ray radiograph image of laser-shocked diamond.

めの方向に発生した多くの線が見られる。これらのThe arrow and dotted line are to guide eyes to the shock-

線は衝撃圧縮により誘起された積層欠陥であると考

induced stacking faults and the phonon radiations,えられる。本実験では三種類の異なる面方位に沿っrespectively.て圧縮を行ったが、その結果この積層欠陥は衝撃圧縮方向に関わらず、ダイヤモンドの{111}面に沿って考察発生することが分かった。この結果は{111}面がダイ転位の伝搬の最高速度は何に支配されるか、といヤモンドのすべり面であるためだと考えられる。

う一見単純にも思える疑問は、実は 60 年に渡り議論

この観察されたような線状のコントラストを、すが続く一大問題である。転位が音速で伝搬する際にべり面に沿って発生させうる現象には、積層欠陥のそのエネルギーが発散することは、古くから理論計他に六方晶ダイヤモンドへの無拡散相転移やクラッ算により示されており、そのために横波の音速こそク、アモルファス化などである。しかしながら、本が転位の最高速度であるという考えが長くに渡って実験で達成された圧力と温度は 100 GPa と 1,000 K主流であった。実際に転位の教科書でもこのような程度であり、ダイヤモンドの高い構造安定性を考え記述が見られる。しかしながら、音速で伝搬する際るに、相転移やアモルファス化の可能性は極めて低に転位のエネルギーが発散する一方で、音速よりもい。また、クラックであれば複数の線が並行して直速く伝搬することは、エネルギー的に起こりうるこ線的に伝播するような振る舞いは見られない。したとが理論的に指摘されていた。なお近年の分子動力がって、観察された線状のコントラストは、2 次元的学計算はこの主張を支持する結果を示している。つに広がる積層欠陥に横から X 線を照射したことで観まり転位は音速では伝搬できないが、音速を超えた速度では定常的な伝搬が可能であると考えられる。

Conference of the Shock Compression of Condensed

問題は、徐々に転移を加速させて行った場合は音速

Matter, Chicago, June 20, 2023.の壁を越えられないため、転位を音速よりも速く動3.

K. Katagiri, et al., “Visualizing Stacking Fault
Formation in Shocked Diamond”, 2023 MRS Spring

いている状態で“作り出す”必要がある点である。

Meeting, San Francisco, April 13, 2023.

本研究では、衝撃波面が不連続的なエネルギー上昇を与える点に着目した。超高速に動く転位を作り出すためには、このようなエネルギーの不連続的な誌上発表

上昇が欠かせないため、高エネルギーの衝撃波面は1.

K. Katagiri, et al., “Transonic Dislocation

音速を超える転位の生成・伝搬を引き起こす手段でPropagation in Diamond”, Science (2023)あると考えられる。この仮説のもとに実験を行った[Accepted].

結果、前章で示したように横波の音速よりも速く伝

2.

L.E. Dresselhaus-Marais, et al., “Simultaneous

搬する転位の観察に成功し、仮説の正しさを示した。

Bright- and Dark-Field X-ray Microscopy at X-ray

本研究結果は転位の速度が音速を超えうることを実Free Electron Lasers”, Scientific Reports (2023)

験的に示した初めての例であり、材料科学や高圧力[Accepted].

科学、地震学、地球惑星科学といった幅広い分野へ

3.

hydrogen in laser-compressed hydrocarbons”,の波及効果が期待される。

Physical Review Research 5, L022023 (2023).

この観察で重要な点として、伝搬する転位を直接観察しているわけではないことが挙げられる。XFEL

D. Kraus, et al., “Indirect evidence for elemental

4.

K. Kawasaki, et al., “Effects of hydrogenを用いた X 線ラジオグラフは 1 µm 程度の空間分解

concentration in ablator material on stimulated能を持つが、転位そのものを観察するにはナノメー

Raman scattering, two-plasmon decay, and hot

トル級の空間分解能が必要になる。今後、高速で伝electrons for direct-drive inertial confinement

搬する転位のダイナミクスをより詳しく調べるためfusion”, Physical Review Research 5, 033051には、X 線イメージングの空間分解能を上げる、も(2023).

しくは電子顕微鏡の時間分解能をあげた上でさらに

5.

A. D. Pope, et al., “Nanolamellar phase transition in

衝撃圧縮実験に用いる、といった工夫が必要になる。

an additively manufactured eutectic high-entropy

いずれにせよ極めて難しい挑戦になるが、今後時間

alloy under high pressures”, AIP Advances 13,をかけて取り組みたい課題の一つである。

035124 (2023).
6.

G. Cristoforetti, et al., “Multibeam Laser Plasma

研究の発表

Interaction at Gekko XII laser facility in conditions

口頭発表

relevant for Direct-Drive Inertial Confinement

1.

K. Katagiri, et al., “Dynamic CompressionFusion”, High Power Laser Science and Engineering

Experiments at GEKKO XII”, APS 23rd Biennial

1, 11 (2023).

Conference of the Shock Compression of Condensed
2.

7.

Z. He, et al., “Diamond formation kinetics in shock-Matter, Chicago, June 20, 2023 [Invited].

compressed C-H-O samples recorded by small-angle

K. Katagiri, et al., “Femtosecond X-ray Radiography

x-ray scattering and x-ray diffraction”, Scienceof Shocked Diamond”, APS 23rd Biennial

Advances 8, eabo0617 (2022).