J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.6 (2011)３
７１‐３８１

プロジェクトレビュー「非平衡極限プラズマ全国共同連携ネットワーク研究計画」
が拓くプラズマ物理
伊 藤 早 苗１，２），兒 玉 了 祐３），藤 澤 彰 英１，２），
佐 藤 元 泰４），田 中 和 夫５），畠 山 力 三６），伊 藤 公 孝２，４）（１）九州大学応用力学研究所，２）九州大学伊藤極限プラズマ研究連携センター，３）大阪大学光科学センター，
４）核融合科学研究所，５）大阪大学大学院工学研究科，６）東北大学大学院工学研究科）（原稿受付：２
０
１
１年４月１
８日）

プラズマ物理学・核融合科学は， 核融合プラズマ・高エネルギー密度プラズマ・プロセスプラズマ・ナノ‐
バイオプラズマ，など対象に応じて広く展開しています．現代物理学の新しい方法論を開拓するとともに，プラズマを活用したエネルギー開発や機能物質創成など，科学技術のフロンテイアを牽引しています．今まで個別に発展してきたプラズマ物理科学の方法論を，非平衡極限プラズマという共通学理から連携しネットワーク化を推進することによって普遍的な学理を探求し研究を加速することを目的に，大規模計画「非平衡極限プラズマ全国
共同連携ネットワーク研究計画」が提案されています．非平衡極限プラズマという共通学理をめざす統合研究が進められています．この報告では，大規模研究の構想，先進研究の展開，広いプラズマ全体に通有の普遍的問題への取り組み，という観点から連携研究の第一歩を紹介します．

１．始めに統合研究が進められています．

学術の大型研究の検討が，最先端科学研究に新たな風を

本報告では，非平衡極限プラズマ全国共同連携研究ネッ

吹き込んでいます．プラズマ物理学・核融合科学分野でもトワーク研究作業会［５］の成果を報告します．本研究作業

学問的競争力を強くアピールしており，日本物理学会やプ会の主題としては，共通して scientific な成果が上がり，研

ラズマ・核融合学会の連携シンポジウムの実績や研究者コ究の明確な目標設定を行うための，scientific gedanken-

ミュニテイの議論に立脚し，大規模研究「非平衡極限プラ

experiment を目的としています．今後展開する共同研究のズマ全国共同連携ネットワーク研究計画」を構想していま

全体的なテーマとしてす［１］．この提案を含む３計画が日本学術会議「学術の大○「非平衡極限プラズマの定義・定式化を」（様々なプラズ型研究に関するマスタープラン」（２０１０年３月）に取り入れマの「非平衡度」の問題設定や定量化）

られました［２］．この構想は，文部科学省の科学技術・学術審議会○「非平衡極限プラズマをどう認知し，どう観察・計測す学術分科会の「学術研究の大型プロジェクトのるか？」（様々なプラズマの乱雑・ダイナミックな場の推進に関する基本構想「ロードマップ」の策定」
（２０
１０年１０

全体を測る）月）において優先度の高い１８計画に盛り込まれていますなどを共同研究作業に選びました．このアセスメントを［３］．このような学会や社会からの期待に応えるべく，連「構造と選択則」という観点から，key issue や driving force,

携ネットワークの企画を推進し，研究を大きく展開するこcollective modes, etc.について，鳥瞰的な展望を得ることをとが求められています．

目的としています．

この連携ネットワークを提案する大規模計画は，今まで当日の発表や議論をもとに，「非平衡極限プラズマ全国

核融合プラズマ・高エネルギー密度プラズマ・プロセスプ

共同連携ネットワーク研究計画」の連携研究の第一歩を報

ラズマ・ナノ‐バイオプラズマ，などなど，対象に応じて告します．

広く展開する最先端プラズマ物理研究の方法論を，非平衡

２．「非 平 衡 極 限 プ ラ ズ マ 全 国 共 同 連 携 ネ ッ ト
ワーク研究計画」の概観

極限プラズマという共通学理から連携し研究ネットワーク
化を推進することを目的としています．本目的の実現のために，非平衡極限プラズマという共通学理から統合研究を

クオーク，核子，原子，分子，多原子分子，DNA，人，地

進めています．平成２２年度には，日本物理学会のシンポジ

球，太陽，銀河，宇宙に至るまで，現代科学は，様々なス

ウム［４］，非平衡極限プラズマ全国共同連携研究ネット

ケールの構造と階層を明らかにしてきました．プラズマワーク研究作業会［５］，仙台プラズマフォーラム［６］などのは，電子やイオンなど原子サイズの粒子の多体系であり，Frontier of Plasma Physics; ‘Research Network on Non-Equilibrium and Extreme State Plasmas’
ITOH Sanae-I., KODAMA Ryosuke, FUJISAWA Akihide, SATO Motoyasu,TANAKA Kazuo A., HATAKEYAMA Rikizo and ITOH Kimitaka

３７１!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011

非平衡状態にあるがゆえに分子サイズレベルから宇宙天体

ネットワークを構成するアプローチがどのようなインパクのスケールまで，ありとあらゆるスケールの構造とダイナ

トを持つかが以下に説明されます．

ミクスをもたらしています．
「流転する自然」の典型的研

３．乱流プラズマ実験の新展開

究対象である所以です．現代では，観測技術の発展により天体や宇宙で起こる様々なプラズマに関連する現象が捉え

磁化閉じ込めプラズマの乱流輸送研究の見地から，遠非られ，豊富なデータが蓄積されてきています．また，プラ平衡系の特徴について簡単に示します．遠非平衡系にあるズマは様々な機能性物質の創成に必須の役割を果たしてお乱流プラズマでの輸送は単純な拡散輸送ではありません．

り，我々の生活の基幹技術を支えています．

時空間での相互作用は非局所的であり，スケールの結合が顕在化します［７，８］．

プラズマ物理が培ってきた方法論は，宇宙の様々な対象

単純な拡散現象というのは，勾配と流速が線形の関係でや現象の理解，制御核融合研究の加速，そして産業応用に役立つことが示されてきています．これまで，プラズマ物

結びつくものです．

理科学は，磁場閉じ込め核融合，慣性核融合，プロセスプと，その相対距離 #は時間 "とともに

ラズマ，高密度プラズマ，天体プラズマなど，異なる対象

二つのマーカーの運動に着目する

#!#
"
!!"

を相手に様々な分野に分かれて発展してきました．昨今の各分野での急展開を鑑みれば，分化発展してきたプラズマのように緩やかに増加します（ここで"#!#は #!のアンサン

物理科学を再び体系化し学術的な法則として昇華すること

ブル平均，! は拡散係数）．バリステイックな運動であれで，更なる躍進が期待されます（図１参照）．図に示したよ!
ば，"のような増大を示します．輸送を引き起こす#!#!"うな研究プラットフォームを作り上げることで，その結揺動が熱平衡状態にあれば，エネルギーが揺動の各モード

果，非平衡極限プラズマを対象として，乱流，構造形成，動に等分配されるので，波長の短いモード程強く励起される的発展や遷移を取り扱う学問的方法を発展させることをめことになります．細かなモードにエネルギーが集中するのざしています．その相互理解に基づいて，乱流輸送の制御，で，揺動場による乱雑運動も相関長が短くなり，その結果

レーザー光の応用，場の制御，界面の制御，非平衡プロセ

輸送現象が拡散輸送になります．

ス産業応用などの開発が進展します．研究の体系化はプラ

非平衡のプラズマでは，エネルギー等分配が成り立ちまズマ物理の新しい領域を切り拓き，人類に新しい機能性物

せん．たとえば，イオンラーマー半径程度のスケールの揺質をもたらす新しい科学技術の確立を一気に加速すること動が励起されます．それだけではなく，勾配長とイオンができるにちがいありません．

ラーマー半径の結合から生じる，両者の中間的な長さで特実際に，プラズマ科学は，現代文明に様々な進歩をもた徴づけられる揺動が現れます．典型的な例は，近年研究がらしていますし，今後も新たな進展を駆動していきます．

進んだ帯状流やストリーマです［９］．その結果輸送は従来最も重要なプラズマ物理科学の応用例として，地上の太陽

知られている単純な拡散としては記述され得ないことにな−すなわち核融合の実現があります．磁場閉じ込めプラズ

ります．図３には，メゾスケールの帯状流に，微視的なドマ特性を予測および制御するためには，プラズマの構造形

リフト波揺動が補足されモジュレーションを受けているこ成を支配する乱流の研究が国際的に活発に行われてきましとを実験で実証した結果を示します．

た．核融合研究の国際熱核融合実験炉 ITER では，これま非平衡極限状態において，今後解明すべき，現象論的にでの実験データの蓄積から得られた経験則を用いてその特重要な事項は，性が予測され，現在の設計が決定されています．しかし，（!）輸送係数に対する「プラズマサイズ」の影響，

プラズマ閉じ込めや特性を確かな物理法則に基づいて予測（"）輸送係数に対する「形」の影響，されることが望ましいことは確かです．正確な理解を求め（#）低周波低波数での大振幅：非拡散的，［すなわち，

る動機は，学問的動機に止まりません．与えられたプラズ

相関長は勾配長のオーダになり；非局所性，相関

マ配位に対して，プラズマ乱流の第一原理的な理解に基づ

時間はメソ−巨視的な時間になる；記憶の重要いた法則が確立されプラズマ性能がより正確に予測できる性］，

ならば，実験費や核融合炉の建設費のさらなる有効活用が（$）界面の存在，極限的な不均一や間欠性，可能となるにちがいありません．

が挙げられ，いずれもプラズマの非平衡性に起因するもの

非平衡状態にあるプラズマの構造形成の理解は，我々をです．今後のこれら現象論的な知識を第一原理から理解す

取り囲む宇宙や自然の理解を深くし，文化文明の更なる発る研究を実現していく必要があります．このような考察か展に寄与します．図２は，プラズマ物理の理解が如何に自ら必要な実験研究として，（スケーリング則から第一原理

然の理解や技術革新に貢献するかを示しています．今後の則へ）１０年程度を見通して，本研究がどのような学問的創造に繋（１）励起された揺動の同定

がるか（図の左上半分），そしてどのような科学的イノ（２）非線形相互作用と支配過程と因果関係の観測［将来］ベーションに繋がるか（図の右下半分）を整理したもので（３）位相空間乱流を特徴づける非線形相互作用の同定

す．乱流プラズマの理解は「どのようにして非平衡系にお[in progress]［将来］

いて構造が形成され発展するか」を示す新しい法則の確立（４）乱流輸送の定量的な法則の確立［将来］につながると考えられます．この図の中の進展に，大規模

非マルコフ過程について：記憶と揺動力
３７２

Project Review

Frontier of Plasma Physics; 'Research Network on Non-Equilibrium and Extreme State Plasmas'

図１

図２

S.-I. Itoh et al.

非平衡極限プラズマネットワーク研究計画．

プラズマ物理によって駆動される近未来の科学イノベーションの展望．

大域的構造と輸送について「サイズ」と「形」と「記憶」の役割
は何か？
遷移のダイナミクスに関して
以上の事柄は乱流プラズマの新しい法則を確立するための中心課題となっています．
今までの実験研究の進展を踏まえると，今や，プラズマ
全域に亘り−すべてのスケールにおいて−乱流構造を観測
図３するための方法を確立する時代となっています（図４）．
加えて，実験研究は位相空間乱流に本質的な，ダイナミク
スを特徴づけるために展開されると考えられます．磁場閉

微視的揺動の周波数スペクトルの時間発展（a）と帯状流電場の時間発展（b）．帯状流の「谷」と「山」での揺動スペク
トルを（c）に示す［１０］．

じ込めプラズマ研究が１９５０年代に開始して以来，１０年程でいます［１１，
１２］．しかし，これらはほんの一部を垣間見たもドリフト波の重要性が認識されています．プラズマ乱流がのだと考えられます．実際，イオンラーマー半径程度のミ観測され，線形波動の問題ではなく，揺動の非相関時間がクロな揺動と，帯状流や巨視的揺動の非線形結合は，空間周期程度と短かな，強い非線形乱流であることが認識され的には，あるポロイダル角に局在しそれが時間的に動いてたのが１９７０年代のことです．この認識は，空間一点観測のいることが理論的に指摘されています［１３］．（１）‐（４）を解結果得られたものです．２０００年代になり，HIBP（重イオン明する研究へと飛躍させるために，揺動全体の非線形結合

ビームプローブ）を用い多点計測が行われ，帯状流やストを同時解析する研究が今後の新領域を開拓するでしょう．

リーマーというメゾスケール揺動の発見や非線形結合観測

４．高エネルギー密度プラズマからの視点に道が開かれました．プラズマ全体に相関長が広がるよう

光は，位相をそろえることで時間的，空間的に極めて小な巨大な揺動が理論的に指摘されその端緒が見いだされて
３７３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011

図４

磁化閉じ込めプラズマの乱流輸送実験研究における，これまでの発見と将来の課題．

さな領域にエネルギーを集中させることができます．高出

ルギー密度を有した高密度プラズマをデバイスとして利用

力レーザーによる高エネルギー密度状態は，固体−プラズ

できれば，高いフラックスの光や荷電粒子ビームを直接制

マ中間状態から相対論プラズマ，陽電子プラズマさらに御できます．これが高エネルギープラズマフォトニクスのは，真空破壊といった様々な物理過程の複合状態や極限状

基本概念です．この概念のもと，高エネルギー密度プラズ態が含まれ，重相科学や実験室宇宙物理など学際的な学術マを利用した高強度光制御や高密度荷電粒子ビーム制御の展開が期待されています．また単に多くの物理過程を含んデバイスとして例えばプラズマよる光反射機能（プラズマ

だ未開拓領域の探査だけではなく，超コンパクト荷電粒子

ミラー）によるパルスクリーニングや keV 領域の超高調波加速器，テラヘルツから X 線に至る超広帯域高輝度パルス

発生，光ガイド機能による効率的な粒子加速や高密度プラ

電磁波源，中性子，ガンマ線などの高輝度パルス放射線源，

ズマ加熱，分散機能（ラマン圧縮や電磁誘導透過），波長変さらにレーザー核融合などこれらを利用した社会基盤にか換機能光機能などプラズマの性質を利用した高強度光制御

かわる新技術の可能性を秘めています．

が可能になっています．最近，プラズマ集光ミラーによりこうした研究で鍵を握るのは二つの問題です．一つは，通常の大型レーザー装置では得られない高速集光系が可能

光のエネルギー密度を極限まで高めることです．それにとなっています（図５）［１５］．この技術と近年の超高強度は，超高強度のレーザーを開発することと併せて，レー

レーザー技術をもとにした研究プラットフォームの検討がザーの光を集中させる方法が開拓されています．その代表

進んでいます．

的なものが我が国オリジナルな新しいアプローチとして，

次に，高エネルギー密度プラズマの中で起きる非平衡過高エネルギー密度プラズマを利用したプラズマフォトニッ

程について概説します．
「非平衡」という視点を，時間のクデバイスです．もう一つの問題は，対象となる高エネル

競合という観点から整理したものが表１です．レーザー光

ギー密度プラズマの中で起きる非平衡過程であって，どの（の振幅や位相）の制御によって，原子の励起やイオン化をようなダイナミックスが新しい物質状態を作り出すのか，急激に（時定数 !で）引き起こし，それが緩和時間よりも短研究・解明していく問題です．

ければ，熱平衡の状態方程式とは異なる物質状態を作るこ

まず，光のエネルギー密度を極限まで高めるという視点とができます．元来，レーザーの発振原理自体が，媒質のについて，プラズマフォトニックデバイスの活用を紹介し反転分布を作るという非平衡状態から出発し，原子のエネます（［１４］を参照ください）．固体デバイスより高いエネ

ルギー準位という選択性を用いて先鋭なスペクトルとコ

図５

プラズマ集光ミラー（左図中の写真）によって，従来の方法（中央図集光スポット）よりずっと高密度に光子を収束できる（右図集
光スポット）．

３７４

Project Review

Frontier of Plasma Physics; 'Research Network on Non-Equilibrium and Extreme State Plasmas'

表１
Process
Atomic process
Electron-ion in Plasmas
Phase transition

S.-I. Itoh et al.

高エネルギー密度プラズマの中で起きるプロセスの時定数の比較．
Time scale (laser excitation < relaxation time)!(excitation) < de excitation!(wake field) < charge neutrality!(ionizatlon) < plasma expansion!(compression, cooling) < structural phase transition

Examplex-ray nonlinear optics
Laser acceleration Plasma
mirrorHigh energy density material

ヒーレンスを作り出しているのですから，非平衡性，選択，状態遷移の成果とのシナジーを用いて，この緊急テーマをコヒーレンス，は一体となった概念です．超高強度のレー急速に進展させることができるだろうと考えています．

ザー光によって，改めて光のコヒーレンスを物質の巨視的５．電磁波非平衡からの視点

スケールでのコヒーレンスへと転写する研究が展開しています．

磁化プラズマ閉じ込め研究では，トカマクのプラズマ電

巨視的スケールでの時間の非平衡性に着目し，高エネル

流を維持するために速度空間の非等方性を利用し，電磁波ギー密度新物質・材料の研究を描いてみましょう．高エネとプラズマの共鳴相互作用をさせるような選択的結合が活

ルギー密度新物質・材料の新たなブレークスルーの可能性

用されています．さらに広い物質創生研究の中で，プラズとして積極的に研究が進んでいます．高出力レーザーを使マ・核融合研究になじみがあるものとして，RF 波動場を用すると，テラパスカル以上の超高圧力を比較的容易に発使い非平衡反応場を実現する研究が発展しています［１７］．

生させることができます．テラパスカル以上の衝撃波を利本誌でも，プラズマ乱流の研究プロジェクトと RF 非平衡

用して，これまで高圧状態の状態方程式や液体金属，高密反応場の研究プロジェクトについて，非平衡科学という観度プラズマへの転移などが調べられてきました．従来のア点から共通性やアナロジーを述べて横断して描いています

プローチは，ほとんどは単純な衝撃波による圧縮で，断熱［１８］．

圧縮に伴うエントロピーの上昇によって，固体転移の実現

プラズマ物理学・核融合科学のアプローチから非平衡反は不可能でした．ところが，レーザーや高密度プラズマ制

応場を研究する上で，具体的には，揺動が選択的に励起さ御により平衡・非平衡など様々超高圧縮技術が可能となりれること，集団的応答の役割，相関長程度またはそれより固体状態で超高圧下の相転移が可能となってきています

短い勾配や界面，電場や磁場が選択的に特徴的ダイナミッ（図６左）［１６］．これに伴いダイヤモンドより硬いスークスをもたらす事，反応や遷移の加速などに着目していまや超良導性の金属ダイヤの状態を実現できる

す．熱エネルギーによって反応を進めていた従来の方法と段階に来ています．さらに夢の物質であり量子性の強い固比較し，非平衡現象を活用することで反応速度を高める，

体金属水素も視野に入る段階となってきています．レー

いわば「非平衡触媒」とも言うべき過程が研究できます．

ザーによる非平衡圧縮により半導体シリコンを金属化し取

図７に非平衡反応場の概念図を示します．熱によるエネ

り出すことができ，超高圧準安定相凍結も実現しつつあり

ルギー伝達と比較し，電磁波を使うことによって，特別なます．超高圧準安定相凍結は，まさに非平衡科学の中心課

波動のみにエネルギーを集中することができます．電磁波

パーダイヤ

題です．図６（右）にあるように，高圧がかかる圧縮時間の 場 の 中 で，反 応 が 進 む と し て（図７の 中 央），i（in-（この図では !）や圧力解放時間を，結晶格子の緩和がバル

itial）→f（final）という反応を考えると，熱で進むパスと比ク全体で起きる時定数（この図では!
）より短くすることがべ，電磁場で進む場合は，パスに自由度ができます．その焦点と考えられます．プラズマ物理で発展してきた非平衡パスに沿って，途中の状態のエネルギーがどうなるか，概図６

高密度プラズマ制御による超高圧縮の新たなアプローチ（左）．左図には，熱平衡での相図の上に，非平衡パスを重ね書きしている．
圧縮と除圧，緩和の競合を示す（右）．除圧と緩和の競合が超高圧準安定相の凍結に鍵を握っている．

３７５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011

図７

非平衡反応場の概念図．

S : Poynting Vector

図８

電磁波反応炉の中の励起磁場と電場（左）．粒界を持つ系で，波動のモード変換が起きる（右）．

念図を示したものが図７（右）です．熱の場合（点線）途中

えています．それと並行して，「非平衡反応場の科学としに超えるべきエネルギーの山があって，その高さが反応速て現象を解明する」という観点から，非平衡系科学にシナ度を決めています（アレニウスの法則）．電磁波を活用すジーをもたらしています．今後，非平衡構造，非平衡励起，ると，パスに自由度が現れるので，途中の山が低くなる可非平衡反応の三つの方向から電磁波非平衡プロセスの物事

能性がでてきます．

を把握し，非平衡を生む機構の解明を通じて，非平衡プラ

こうした自由度がどのように実験で研究できるか，非平ズマの様々な過程を理解する上での典型的問題を与え続け衡プラズマ物理との学術融合によって進展が開かれていまると考えられます．

す．ブレイクスルーの一つは，電磁波を使うことで電場と６．重相プラズマからの視点

磁場を制御して活用できる点です．図８（左）に電磁波反応
炉の中に電磁波を励起した場合の，励起磁場と電場を示し

重相プラズマの研究展望は［１］に述べられています．磁ます．電場と磁場を選択的に活用することによって，物体場・レーザー核融合炉の壁や宇宙往還スペースシップなど

中にスピン波や分極波を励起する可 能 性 が 生 ま れますの外壁は，プラズマなどによる強大な負荷により，高エネ［１９］．もう一つの基礎過程はモード変換と考えられます

ルギー密度の状態に曝されます．こうした壁材料は，損耗（図８（左））．［１８］に述べましたように，電磁波非平衡現象を受けこの極限環境において，複数の相（固相，液相，気を活用するためには，素材が粉体や粒界を持つシステムと相，プラズマ）が時空間において混在する状態になります．

なっています．その事は，電磁波の伝播に重要な役割を果これを非平衡な極限での重相状態と定義します．

たしますが，同時に，モード変換を通じ反応の制御にも重宇宙往還スペースシップは，惑星大気に突入時にプラズ

要な働きをしていると考えられます．図８（右）に示すようマなどの高熱負荷を受けます．磁場核融合炉実現には，炉に，電磁波と物質中で励起される音波（圧縮波）は分散関心プラズマから周辺に流出する膨大な定常および間歇的な係がかけ離れていますが，界面の存在（図の中で interface

プラズマ流負荷を受け止めるダイバータ板の損耗を抑制すという破線の波数ベクトルで示しています）により別の波ることができるかどうかが核融合発電実現の成否を決める

動へと変換されていく過程が，反応の進展に影響すると考課題となっています．現在開発が進められている炭素構造

えられます．実際に電磁波反応炉を活用し，金属の還元を材による達成値と，開発目標を図９の許容損耗率と熱負荷行い，電磁波非平衡現象が実際に研究されています．

にまとめます．重相状態の負荷エネルギー緩衝効果を利用「マイクロ波励起・高温非平衡反応場の科学」研究は，することで，現在の材料固体単体で決まる耐熱負荷性能をRF 科学技術を活用し，電磁波の伝搬における誘電損失やはるかに超えた耐力［２０］が実現できれば大きなインパクト

磁性損失という立場から，新製鉄法を始め様々な物質創成を持つことになります．

に成果を上げ，グリーンイノベーションにインパクトを与高エネルギー密度負荷のもとで，プラズマや気体液体固３７６

Project Review

Frontier of Plasma Physics; 'Research Network on Non-Equilibrium and Extreme State Plasmas'

S.-I. Itoh et al.

が発見されています．原子分子にとどまらず，CNT まで同時に混在している状態は，重相の状態の多様性を描いているものです．原子・分子プラズマ物理学が急展開していますが，更に非平衡性の強いこうしたプラズマを，重相として捉える必要性を示していると考えられます．
と同時に，物理的にチャレンジングな現象も発見されています．炭素のプラズマプリュームが衝突して CNT ができるような条件下では，CNT 等を含む衝突プラズマが「滞留する」という現象が発見されています．それぞれのプ
リュームは直交する方向に運動していますから，衝突しても，それぞれ直行する方向の運動量を保ちつつ，運動量のベクトル和の方向に動くことが期待されます．しかし，プラズマの「滞留」現象では，ベクトル和の方向に緩やかに移動することが確認されており，謎を示しています．こうした現象をどのように理解するかは，ダイバータなど磁
図９

高耐熱・高耐力材料の現状と今後の目標．

場・レーザー核融合炉において極限環境下に曝される材料の損耗抑制を向上させるシステマティックなアプローチの体が共存する状態を研究するための実験プラットフォーム

スタートと考えられ，さらに８章の研究シナジーの項で説が設計されています．研究ステップを次のようにシステマ明します．

テイックに構成する計画です．レーザーから発生させる量

このようにスタートした重相プラズマの研究は，材料開子ビーム（レーザー，電子，X 線，イオン，ガンマ線，中発のステップを踏みながら，物理学にもチャレンジを提示性子線）など物質への透過能力や電場・磁場に対する感度

して，プラズマ物理を刺激しています．

が異なる特性を利用した先進計測［２１］を用いて重相状態の７．ナノ‐バイオプラズマからの視点

各種基本特性（密度，温度，音速，熱伝導度など）の計測・把握が行われます．基礎実験からのデータをベースにし物

材料や新機能物質創生にプラズマを応用する研究の領域

理モデルを構築していきます．重相プラズマのモデルを検では，エネルギーキャリアを非平衡なプラズマとすること

定し，重相状態の制御実験への指針を確立することで固体

で，ナノ化・高機能化・バイオ適用化という研究潮流が生の耐熱負荷性能の向上へと展開します．

まれています［２３，２４］．

最も単純に，高エネルギー密度負荷プラズマの非平衡ダ

最近のプラズマ応用（基礎）分野では，環境・ナノ‐バ

イナミクスを研究する実験装置を図１０に示します［２２］．

イオ科学技術への応用が，非平衡プラズマに対する認識を

図１０には，実際にレーザーで高エネルギー密度のプラズ

高めています．まず，大気圧プラズマの発生と制御，とい

マを炭素固体壁から噴出させる衝突実験の例を示します．

う観点からは，（１）気体液体界面プラズマの研究へ，（２）

この実験からは，次のような発見が報告されています．まアーク放電からグロー放電へ，という流れがあり，その中ず，プ ラ ズ マ プ リ ュ ー ム が 衝 突 す る こ と で，単 独 の プ

で「非平衡性」は重要な物理科学過程となっています．生

リュームの運動エネルギーが５０％（最大）吸収されるとい体への適用を考えると，大気圧下での環境が必須になり，う結果が得られています．現象論的な観測の第一歩が始め

また，液体中でのプラズマ制御も必須の要件となります．

られた報告です．更に，炭素のプラズマプリュームが衝突

プラズマの機能性を高めるためには，電子温度とイオン温する場合には，carbon nano tube（CNT）が生成されること度を分離し，電子とイオンの持つそれぞれの効果を適切に制御する（例えばプラズマ粒子のエネルギーがもたらすエッチング能力向上と製作劣化効果という，相反する効果
を賢く最適化する）ことや，電極やシースの電場構造を制御して，粒子エネルギー（平均）と温度（分散）を独立に制御する，というように，プラズマの非平衡性を活用することが必須です．また，バイオ適用の上では，プラズマ粒子だけではなく共存するラジカルまで含めて非平衡性が重視されます．プラズマの荷電粒子とラジカルの寿命の違い
を活かし時空不均一を制御することで，選択的に機能を発現させるというところに本質の一端があります．このような要求に応えるため，大気圧環境下での気体液体界面プラズマの実験法を考案する必要がありますが，図１１に示すよ

図１
０ レーザー生成高密度プラズマの衝突実験装置（左）．二つの噴出プラズマ（炭素）が衝突する実験（右）．

うに，ionic liquid を活用することで実験のプラットフォー
ムが実現しています［２５，
２６］．
３７７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011

例えば気液界面プラズマの研究においても，流体の対流や揺動を制御する重要性が示されています．気体液体界面に近傍の電場構造を活用し，イオンを加速して液相中の反応を制御する立場からは，界面の安定化を要求することになります．界面付近の強い電場構造とその揺動への効果という過程は，H モード物理で指摘されて以来，プラズマ乱流の基礎的なプロセスであり，その研究方法は磁化プラズ
マを中心に進展してきました．その研究方法は気体液体界
面プラズマに応用できるでしょう．逆に，気体液体界面に積極的に揺らぎを発生させ，選択的な揺らぎの増大によって自律的な周期構造を作り出す研究も進められています．
気体液体界面に選択的に自律的な周期構造を作り出すことができれば，その構造が液相での反応に転写され，固定化

図１
１ Ionic liquid を用いることで，大気圧から低圧迄，幅広く気体液体プラズマを研究することが可能になった．

することによってデバイスの機構化に活かせるという研究です．フォトニック結晶やナノ分子メモリ等の応用を視野に入れた先端研究が進んでいます．実験的には，図１１のプ
ラットフォームを活用しますが，揺動の自律的構造形成の問題にも，大振幅孤立波や遷移ダイナミクスの解析等，磁化プラズマの研究方法が活用できます．
更に研究を進ませるものが，図１２にあるように，DNAと carbon nano tube（CNT），metal nano particle（MNP）との親和性の差という非平衡性に着目した研究展開です．
DNA を MNP に付着させ，DNA-doped MNP を CNT に納めて搬送し，レーザー光を用いて DNA-MNP を脱着することをめざした研究が展開しています．
ナノ‐バイオプラズマ分野は，非平衡極限プラズマ反応
場を創成・活用し，ナノ領域の物理学的および生体学的に新規・新機能性

構造・機能を創出する研究を展開しています．プラズマの荷電粒子とラジカルの寿命の違いを活かし，平均エネルギーと分散を制御し，時空不均一を制御す

図１
２ DNA と carbon nano tube (CNT), metal nano particle(MNP)からなる複合系．

ることで，選択的に機能を発現させるという考え方は，磁化プラズマやレーザープラズマの研究にも大きなインパク型」としても現れるので，この表を上下に見ていくと，シトを与えると思います．

ナジーによる研究の加速に結びついていきます．

８．議論のまとめ

物理機構理解のシナジーと言う視点から整理したものが以上の様な研究で探求されている対象を統一的に考える

表３です．この表では，過程の典型例が左端に列挙され，ために，鳥瞰図を表２に示します．表２は，それぞれの研対象となるプラズマごとにコラムを作っています．例え究対象のプラズマから見て，非平衡性の特徴や，集団運動

ば，遠距離相互作用を例にとれば，磁化プラズマ乱流でのをまとめたものです．それらのダイナミックスが作り出輸送現象に於ける nonlocal transient transport problem がす，時間空間構造の視点と，時間のダイナミックスの論点研究され，そのための今後のアプローチが３章に説明されをまとめています．そして，それらの競合の結果どのようています．重相プラズマでは滞留現象が観測されています

な構造・状態・現象が選択され，巨視的な観察に現れるか（６章）．それを理解するためには，運動量を運び去っていを，法則の視点としてまとめています．

る物質か場が生み出されていると考えることができます．

この表を左から右に見ていくと，現象を生み出す物理機

濃いプラズマと電磁場に加え，中性分子（場合によっては構について，時空境界条件と着目する運動から演繹的に理高分子）が平衡状態に比べ高密度に生成されそれが運動量解を積み上げていく，という論理構造になっています．右輸送に大きな影響を持つ可能性が検討されています．電磁端の部分が，実際に観測されたり法則として表現されたり波非平衡でも，還元反応を引き起こす上でのエネルギーするものです．

キャリアが探査されており，界面に伴う集団運動の励起が一方で，この表を上下に見ていくと，ある所で考えられ探求されています．それらは今のところ'hidden variable'

研究された事柄が，他の所では別の形ででてくるという事（隠された変数）を捜す研究のステージです．隠された変数

実も描き出しています．独創的研究の飛躍は，しばしばアという考え方からは，LH 遷移の問題において，径電場構造

ナロジーから生まれます．研究の普遍性は，「類型」「典がその役目を果たしていると予言され，その後の研究の新
３７８

Project Review

Frontier of Plasma Physics; 'Research Network on Non-Equilibrium and Extreme State Plasmas'

S.-I. Itoh et al.

展開をもたらしました．これが典型例として新たな理解を単体としての応答でなく，複合的応答というような新たな加速的に生み出すと考えられます．逆に，重相プラズマで過程の発見も含め，更に完全な理解に寄与するでしょうの運動量のキャリアが解明されれば，ナノ‐バイオプラズ（磁場閉じ込めプラズマでダイバーター部のプラズマの運マでの機能性発揮を理解する上で新しい類型を与えると考動量バランスの理解にも寄与するのは当然のことです）．

えられます．すなわち，励起高分子の非平衡ダイナミクス

時間の非平衡性に着目し，「記憶，散逸との競争」の欄の重要性がナノ‐バイオプラズマで重視されていますが，を見れば，超高圧物質の取り出しの研究が，他のプラズマ

表２

磁化プラズマ乱流

ナノ−バイオプラズマ

プラズマに現れる非平衡性と集団運動．それがもたらす時空構造を記述．巨視的な状態と追求される法則を述べる．
非平衡性の特徴

集団運動

不均一性

ドリフト波

構造の視点

時間のダイナミクス

時間構造

記憶関数
乱流の中の記憶
遷移の寿命

空間構造
輸送障壁
組成変化・混合

メゾスケール場
電磁場
遷移と（熱平衡での）緩 巨視的な場と界面構造
e.g. stochastization
和の競合

位相構造 !
#""!
!

共鳴と不可逆性

流れと対称性の破れ

種々の波動

気体液体界面
反応場

プラズマ波・
表面張力波

イオンと電子の温度差

電荷中性の破れ気液界面接触電位

ビーム粒子

創成物質機能構造

プラズマ波
圧縮波，衝撃波
相転移波
ビーム粒子

状態構造
時間構造

ナノカーボンなどの（内部や 周 期）構 造 転 写 transcription

界面プラズマ構造
nano-scale 輸送

脱化学平衡律則重相プラズマエネルギー密度不均一
突発的入力
相の急変・混在超高エネルギ ー レーザー光強度
密度プラズマ
パルスと不均一電磁波非平衡

圧縮波
航跡場

突発的入力
粒界
波動ベクトル

磁化プラズマnonlocal interaction intransport
遠隔相互作用ex, current drive
control

複合生体分子等の選択的相互作用・物質変換
界面媒介構造転写
イオンやラジカルの寿命差による 構 造 と 機
能発生
生体等の選択的相互作用
低温 ablation
two plume 衝突

空間構造

ビーム粒子
時間構造
マイクロ波
空間構造
超音波，スピン波 時間構造

表３

法則の表現
記憶関数と揺動力で決まる
ポテンシャル
非線形選択枝と確率統計
遷移の寿命流束の非ガウス統計

エネルギー分布，電離度等の内部自由度空間構造
内部自由度空間の発展
ラジエータとしてのエネル
ギー放出機構光のコヒーレンスをプ
ラズマの相関に転写 新物質（スーパーダイアモ
凍結ンド）の選択
電離励起非線形波競合
量子凍結
モード変換
アレニウス則拡張
凍結

物質状態の記憶新物質取り出し界面と波動のマッチング
反応の進む方向
非線形選択枝と確率統計

物理過程からみた種々のプラズマへの普遍性．

高エネルギー密度プラズマ

ナノ・バイオプラズマ

radiation transporttranscription ofcoherence fromwave to particles

transport bytranscription of spatiomolecules
temporal patternfrom wave to nanoparticles

重相プラズマ構造の形成に於ける structure formation inlarge scale
集団運動や揺動の閾値
輸送障壁
onset of ionizationpreferential reaction'stagnation'
above threshold

H-mode における径電場の意義の発見

ラジカルの時空不均一

carrier ofmomentum?

隠れた変数

記憶，散逸との競争 memory of turbulence

超高圧状態物質の取り出し

場の「共鳴」の条件 非線形モジュレーショ 非線形振動ミラーと場の共鳴（マッチング条件）
ン結合に於けるマッ
多フォトン−原子チング条件
過程に於ける共鳴

転写の固定

界面での接続条件
ラジカルの選択３７９

電磁波非平衡mode conversion
from RF wave toother waves

accelerated chemical reaction
超音波等の励起
アレニウスの法則の拡張

原子分子プラズマ過程の時定数の差が満たすべき条件 粒界でのモード変換
条件
分子合成
パスの選択

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.6 June 2011に通有の過程を描いていることがわかります．超高圧状態

相互作用の特長に焦点を絞って研究が展開し，そこにおいで新しい物質が生まれることは，予想されていると言えばても揺動制御をプラズマプロセスに活かす研究が進んでい予想されているわけですが，それが常温常圧に取り出せるます．これらはいずれも学術的にはここで紹介した非平衡ということは大きな驚きです．それが往路と復路の違い

プラズマの研究とも関連が深いものです．これら更に幅広と，時間的非平衡過程を活用していることは４章に説明しい研究との連携を通じて，「非平衡極限プラズマ全国共同たところです．その考え方は，徐々に磁化プラズマ乱流の連携ネットワーク研究計画」の展開は，プラズマ物理科学

遷移過程の研究に現れ始めています．もっと先を考えるとの関連諸分野を活性化すると思います．

乱流の記憶が今後研究されることになります．構造やコ謝ヒーレンスの転写という考え方は，ナノ‐バイオプラズマ

辞や高エネルギー密度プラズマでは中心概念になっていま

本研究の推進と基盤の構築のために，科学研究費特別推す．位相空間でのコヒーレンスが高エネルギー密度プラズ

進 研 究（１
６００２００５），科 学 研 究 費 基 盤 研 究（２２２４４０７２，マでは研究できるレベルにあり，その成果は，磁化プラズ

２２２２４０１２， ２２２４６１２２， ２１６５４０８４， ２１２２４０１４， １９
３６０１４８，

マの乱流の理解も加速すると思います．最近の描像［７］に

１９０５４００１，１８２０４０５５，１８１０４０１１，１３８５２０１６），科学研究費特示されたように，磁化プラズマの非線形現象は流体的観測

定領域研究「マイクロ波励起・高温非平衡反応場の科学」，

について大きな進展を示しましたが，［８］にありますよう

戦略的創造研究 CREST「高エネルギー密度プラズマフォに，位相空間乱流の研究こそがプラズマ乱流の中心課題でトニクス」，九州大学応用力学研究所共同研究，核融合科

す．位相空間の構造観測へ向けて，連携したシナジーを学研究所共同研究の援助を受けましたことを感謝します．

持ってブレイクスルーを追求することが可能になっている

参考文献と思います．

［１］伊藤公孝他：プラズマ・核融合学会誌 86 188 (2010).
［２］日本学術会議提言「学術の大型施設計画・大規模研究
計画 ―企画・推進策の在り方と マスタープラン策定について―」
http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/pdf/kohyo-21-t902.pdf,
http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/pdf/kohyo-21-t902-2.pdf［３］文部科学省科学技術・学術審議会学術分科会研究環境
基盤部会 学術研究の大型プロジェクトに関する作業
部会「学術研究の大型プロジェクトの推進について」
（平成２
２年１
０月２
７日）
．
http://www.mext.go.jp/b̲ menu / shingi / gijyutu / gijyutu4/toushin/1298714.htm［４］日本物理学会領域２・領域３合同シンポジウム「マイクロ波テラヘルツ波による加熱の物理機構」
（２
０
１
０年９
月２
４日，於大阪府立大学）２
４pQA.
［５］非平衡極限プラズマ全国共同連携研究ネットワーク研
究作業会（於：九州大学応用力学研究所・伊藤プラズ
マ乱流研究センター２
０
１
１年１月１
９日）
．
［６］仙台 プラズマフォーラム 平成２２年度 東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会「プラズマナノバ
イオトロニクスの基礎研究」（代表者：畠山力三）．
［７］伊藤早苗：プラズマ・核融合学会誌 86, 334 (2010).
［８］P.H. Diamond, S.-I. Itoh and K. Itoh, Physical Kinetics of Turbulent Plasmas (Cambridge University Press, planned
publication 2010) p.570.
［９］A. Fujisawa, Nucl. Fusion 49, 013001 (2009).
［１０］A. Fujisawa et al., Plasma Phys. Control. Fusion 49, 211(2007).
［１１］S.-I. Itoh and K. Itoh, Plasma Phys. Control. Fusion 43, 1055
(2001).
［１２］S. Inagaki et al., IAEA FEC 2010 EXC/7-4Ra.
［１３］K. Itoh, K. Hallatschek and S.-I. Itoh, Plasma Phys. Control.
Fusion 47, 451 (2005).
［１４］兒玉了祐：「高エネルギー密度科学の新展開」パリ
ティ 26, 19 (2011).

９．終わりに「非平衡極限プラズマ全国共同連携ネットワーク研究計画」については，できるところから研究を進める，という考え方に立って連携研究が実施されています．この報告では，連携研究ネットワーク研究作業会当日の発表や議論をもとに，「非平衡極限プラズマ全国共同連携ネットワーク
研究計画」の連携研究の第一歩を紹介しました．特に，個々のプラズマを対象として発展してきたプラズマ物理学の方法論が，広いプラズマ全体に通有の普遍的問題に答えを与えうる，という事実に焦点を置いて説明しました．方法のシナジーによる研究の加速について，当日の議論を基に具体的な例の一端を紹介しました．今後とも順次連携によるブレイクスルーを進め，報告する予定です．
更に広い物理科学分野全体を見ますと，「学術の大型施
設計画・大規模研究計画（マスタープラン）に関する物理系シンポジウム」が２０１１（平成２３）年１月３１日に日本学術会議講堂で開催されました［２７］．そこでは，「プラズマ・
核融合分野」が「素粒子・原子核分野」「天文・宇宙分野」「物質科学分野」と並んで四つの柱に取り入れられました．
プラズマ・核融合分野が柱領域と認められたことは，プラズマ物理の学術的意義の評価の高まりの現れと言えましょう．そのシンポジウムでも，本研究の内容が物性物理や高エネルギー物理の研究者を刺激し，分野横断の議論を生み出しました．
本稿で紹介できたことの他にも，プラズマ物理科学の研究では多くの企画が進んでいます．例えば，バイオプラズ
マへの展開を見れば，熊本大学バイオエレクトリクスプロ
ジェクトが推進されており［２４，２８］，プラズマ・核融合学
会でも「医療応用」プロセスのためのプラズマの学理をめざす提案が専門委員会に申請されています［２９］．応用プラズマでも，科学研究費新学術領域プロジェクトが実現し［３０］，界面がナノサイズに縮小することにより顕在化する
３８０

Project Review

Frontier of Plasma Physics; 'Research Network on Non-Equilibrium and Extreme State Plasmas'［１５］M. Nakatsutsumi, R. Kodama et al., Opt. Letts. 35, 2314
(2010).
［１６］N. Ozaki, T. Sano, S. Mashimo, T. Sano and R. Kodama,
プラズマ・核融合学会誌 86, 604 (2010).
［17］RF 非平衡場を対象として特定領域研究「マイクロ波励起･高 温 非 平 衡 反 応 場 の 科 学」
（平 成１
８年 度 か ら２２年度）が発足し成果を生み出している．http://phonon.
nifs.ac.jp/［１８］伊藤早苗，佐藤元泰：プラズマ・核融合学会誌 85, 636(2009).
［１９］M. Tanaka, H. Kono and K. Maruyama, Phys. Rev. B 79,
104420 (2009).
［２０］A. Hassanein, Fusion Eng. Des. 60, 527 (2002).
［２１］K.A. Tanaka et al., Rev. Sci. Instrum. 76, 013507 (2005);
A. Lei, K.A. Tanaka et al., Phys. Rev. Lett. 96, 255006(2006); N. Nakanii, K. Kondo, K.A. Tanaka et al., Appl.
Phys. Lett. 93, 085101(2008).
［２２］K.A. Tanaka et al., Invited talk at 19th Topical Meetingon the Technology of Fusion Energy (November 7-11,
2010, Las Vegas, Nevada), Fusion Sci. Tech. to appear in
2011.

S.-I. Itoh et al.

［２３］例えば，畠山力三：「カーボンナノチューブを含むプラ
ズマシステム」パリティ 24, 18 (2009).
［２４］例えば，秋山秀典：「プラズマと生命体との相互作用」
パリテイ 25, 31 (2010).
［２５］R. Hatakeyama: "Novel gas-liquid interfacial plasmas - basic properties and applications to nano-bio material creation" (36th EPS Conference, Sofia, 2009) I4.066.
６］R. Hatakeyama and T. Kaneko, Plasma Fusion Res. 6,［２1106011 (2011).
［２７］伊藤早苗：「学術の大型施設計画・大規模研究計画（マスタープラン）に関する物理系シンポジウム」プラズ
マ・核融合学会誌 87, 247 (2011).
［２８］熊本大学グローバル COE プログラム「衝撃エネルギー
工学グローバル先導拠点」http://ppe.coe.kumamoto-u.
ac.jp/［２９］プラズマ・核融合学会専門委員会「プラズマ科学の医療応用」代表者 大阪大学 浜口智志
［３０］新学術領域「プラズマとナノ界面の相互作用に関する
学術基盤の創成」代表者 九州大学 白谷正治：http://
plasma.ed.kyushu-u.ac.jp/〜plasmanano-pj/

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