研究内容

非平衡輻射プラズマ物理 (担当 千徳)

超高強度レーザーと物質の相互作用とX線輻射物理

レーザー研には世界最大規模のレーザーシステムがあります。実験室で超高強度レーザーを物質照射すると、ピコ秒(1兆分の1秒)とい短い時間スケールで、10keV(1億度)の超高温状態になり、高エネルギー粒子と大量のX線を発生して、一瞬で飛散します。その時起こっている現象を理解するために、粒子シミュレーションによって実験をコンピュータ上で模擬して、レーザー吸収過程、粒子発生、X線輻射などを含めた高温プラズマのダイナミックスを研究します。

レーザーがアルミターゲットに照射されて反射される様子(等高線)、また反射時にレーザーにより加速された高エネルギー電子がターゲットの内部に光の速さで侵入する様子(カラー塗り等高線)。

X線レーザー(XFEL)と物質の相互作用

一般にレーザーというと可視光域の光だが、近年、XFEL(X線自由電子レーザー)という新たな光源が開発されました。光子のエネルギーはレーザーの1万倍から10万倍高エネルギーのX線です。このX線レーザーを物質に照射すると、光子による光電離過程がトリガーとなって、様々な原子過程が引き起こされ、物質はプラズマ化していきます。私たちは高強度X線レーザーによる物質加熱の物理過程の数値モデルを構築して、X線の吸収過程を理解しようとしています。

天体プラズマ物理・極限プラズマ物理 (担当 佐野)

磁気流体不安定とプラズマ乱流の大規模シミュレーションとレーザー実験

「磁場」と「乱流混合」が様々なプラズマ現象でホットなキーワードとなっています。密度界面で発生するリヒトマイヤー・メシュコフ不安定に着目して、宇宙プラズマや実験室プラズマで見られる界面不安定駆動の「磁気乱流」の特性を解析しています。観測される星間磁場との比較を通して「乱流と磁場」の相互作用を明らかして、「磁化プラズマ中の乱流混合」を制御できるまでに理解を深めることで、慣性核融合プラズマへの応用も視野に入れて研究を進めています。研究手法としては、磁気流体(MHD)シミュレーションだけでなく、レーザープラズマを用いた実験的検証(レーザー宇宙物理)も平行して行っています。

(左、中) 磁化プラズマ中でリヒトマイヤー・メシュコフ不安定が成長する様子(密度と磁力線)の磁気流体シミュレーションの結果。(右) 激光レーザーを用いたリヒトマイヤー・メシュコフ不安定実験の様子。

極限的な強磁場中でのレーザープラズマ相互作用

近年、レーザー実験においてキロテスラ級の強磁場(ネオジム磁石の1000倍以上)を発生させることが可能となりました。通常、レーザー光は固体密度を越えるような高密度プラズマには侵入できません。しかし、このような極限的な磁場が存在すると、強力なレーザー光が高密度プラズマの中を伝播することも可能となります。そこで起こりうる全く新しいプラズマの加熱過程や荷電粒子の加速現象を理解するため、プラズマ粒子(PIC)シミュレーションを用いた解析を行っています。

集光電磁場の理論解析 (担当 柴田)

軸外し放物面鏡による集光電磁場の解析と応用について

軸外し放物面鏡は、平行光を光軸からずれた点に集める際に多用される光学素子です。焦点近傍での電磁場の振る舞いは、鏡の非対称性によって複雑な挙動を示すことを発見しました。特に、フーリエ変換してある周波数成分を考えた場合、一周期に比べて短い時間スケール、また波長に比べて短い空間スケールにおいて電磁場ベクトルが特殊な構造を持つことを見出し、その理由を理論的に説明しました。この特殊な構造を応用して、波長よりも短い領域で試料の位置を特定するための方法論を研究しています。