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Research

プラズマは、固体・液体・気体に続く物質の第四の状態と呼ばれ、地上ではなかなか実感できませんが、宇宙の実に99.9%がプラズマ状態にあると言われています。私達の日常生活ともなじみの深い雷やオーロラ、電離層もプラズマです。また太陽コロナや太陽風もプラズマであり、しばしば人工衛星や通信機器に被害をもたらします。このように、プラズマは宇宙で物質がとる最も普遍的な状態であり、130億年前のビッグバーンに始まる宇宙で繰り広げられた様々の構造形成は、このプラズマに端を発していると言えます。 このプラズマは、プラスの電荷を持ったイオンと、電子あるいは陽電子が一見ランダムに運動する荷電粒子多体系ですが、このような高い自由度を持った媒質から様々の形や構造が形成されたことは重要な学術的意味があります。プラズマは「形のないものから形を作る媒質」であり、その基礎となるプラズマ物理学は様々な構造(成り立ち)の起源を問う21世紀の科学と言えます。 この「プラズマ」が創り出す様々な物理現象は、次世代のエネルギー源として期待されている核融合研究、様々な極限現象に満ち溢れた宇宙・天体物理学や高エネルギー密度科学、産業応用とも密接に関係した物質科学などと深い関わりがあります。それを支える学術も多様であり、複雑なプラズマの・^動を記述する電磁気学や統計物理、乱流理論やカオス理論、プラズマのマクロな運動を扱う流体力学やミクロな原子・分子過程を扱う原子物理学、高強度レーザーや宇宙・天体の極限状態で生成される高エネルギー密度状態を記述する相対性理論などが含まれます。また、複雑なプラズマの運動をスーパーコンピュータ上で再現するシミュレーション科学の中心課題としても位置づけられています。 私達の研究室では、将来のエネルギー源を目指した核融合プラズマや物質の極限状態を探求する相対論プラズマや宇宙・天体プラズマ、産業応用も視野に入れたレーザー生成プラズマや原子・分子過程が関与した光量子プラズマなど、幅広いプラズマ物理学の理論・シミュレーション研究に取り組んでいます。

研究テーマ

A-1:Theoretical and computational study of turbulent transport and MHD phenomena in fusion plasmas

核融合エネルギーを実現するには、限られた狭い空間に高い圧力のプラズマを長時間、しかも安定に閉じ込める必要があります。しかし、そのとき形成させる強い圧力勾配が自由エネルギー源となりプラズマ中には様々のスケールの揺らぎが発生します。それらはしばしば乱流状態になりプラズマ中に大きな熱輸送を引き起こしたり、時にはプラズマ全体を消失させる装置スケールの揺らぎに発展することもあります。そのため、このような揺らぎの発生メカニズムを解明し、それらを抑制・制御することが核融合の実現に重要です。

私たちの研究室では、このような核融合プラズマ中で発生する様々なスケールの揺らぎ現象の理論的な解明を目指すとともに、第1原理に基づくシミュレーションにより、これをスーパーコンピュータ上で再現し、理論や実験によるアプローチだけでは理解が困難な核融合プラズマの複雑現象に関する研究を行っています。

A-2:Study of high energy density science based on high power laser-matter interaction

近年のレーザー技術の急速な進展に伴い、パルス長がフェムト秒からピコ秒と極端に短く、一方、出力パワーがテラワットからペタワットに及ぶ高強度レーザーが開発されています。このようなレーザーを様々な物質に照射することにより、相対性理論が支配する・Aこれまでに例を見ない高いエネルギー密度状態のプラズマ(“相対論プラズマ”)を生成することができます。この相対論プラズマを利用することにより、新しい概念に基づくレーザー核融合(研究室の目指すもの:「プラズマと核融合」を参照)やコンパクトな高エネルギー粒子加速器、高強度・極短パルスのX線源や中性子線源と云った様々の応用研究が展開されています。また、この相対論プラズマは、超新星爆発や宇宙ジェットのダイナミックス、あるいは反物質である陽電子プラズマ等、宇宙・天体プラズマ現象と類似性が強く、これまで観測主体で研究が行われてきたこれらの物理現象を、高強度レーザーを用いて実験室で模擬することにより天文・宇宙プラズマ現象を探求しようとする学術研究が提唱されています。

私たちの研究室では、このような超高強度レーザーと物質との相互作用のシミュレーション研究を基礎に、レーザー核融合研究も含め、高エネルギー密度状態の科学に関わる様々な学術・応用研究に取り組んでいます。

A-3:Study of synergetic complexity of plasmas dominated by atomic and molecular process and application

様々の媒質と光子場や荷電粒子の相互作用は、複雑な原子・分子過程や衝突緩和過程を通して、中性原子や多価イオン、電子が共存した複雑なプラズマ状態を作ります。このようなプラズマは反応性媒質としての特性も有し、通常の中性気体では見られない豊富な現象を創出します。このような状態は自然界におけるオーロラや放電・雷現象、太陽の表面や恒星かたの輻射場の影響を受けた星間ガスの中にも普遍的に見ることができます。これらは原子や分子過程が深く関与した非線形媒質として物性論の立場からも興味深い研究対象です。

私たちの研究室では、このような複雑なプラズマ現象の理解を目指し、物質の電離・再結合過程、生成された荷電粒子間の緩和過程等を導入した粒子シミュレーションを基礎に、自然界における様々な構造形成の起源を問う研究に挑戦しています。

A-4:Study of structure and high quality control of multi-body charged particle and beam system

宇宙や天体を含め自然界には様々の"構造"が存在し、これらは合体や消滅を繰り返し豊富・ネ世界を創出しています。物質の第四の状態であるプラズマは一見単純なプラスの電荷を持ったイオンとマイナスの電荷を持った電子が混在した雲のような媒質ですが、宇宙における構造形成の多くはこのプラズマに端を発していると言われています。また、将来のエネルギー源として研究が進展している磁場方式やレーザー方式による核融合プラズマにおいても、構造を積極的に作ろうとするプラズマの特性を最大限利用しています。

私たちの研究室では、核融合プラズマをはじめ、加速器ビームのプラズマや電子や陽電子プラズマ等の非中性プラズマ、レーザーによって生成された相対論プラズマ等の荷電粒子多体系としてのプラズマの構造形成に関わる特性をエントロピーに関わる統計理論やシミュレーション手法を駆使して調べ、自然における構造の起源を問う研究や、このようなプラズマの創る構造を制御する研究に挑戦しています。

A-5:Study of remote collaboration system based on large scale simulation

近年、多くの科学・技術分野のプロジェクト研究や基礎研究において、実験とともに、現象を高い精度で予測し、研究の迅速性や方向性を効率的に探る計算機シミュレーションが重要な役割を果たしています。本分野の研究課題である核融合研究においても、ITER(国際熱核融合実験炉)や米国NIF(国立点火施設)が燃焼プラズマを実現しようとしますが、これらを予測するためのシミュレーション研究が国内外で精力的に進められています。これら計算科学に基づく研究手法は、核融合研究に限らず多くの科学・技術分野において今や理論と実験と並ぶ「第三の科学」として位置付けられています。

私たちの研究室では、大規模シミュレーションを中心に据え、様々な可視化技術やインターネット技術などの情報科学を駆使することにより、世界中の多くの共同研究者が時間と場所を選ばず、進行しつつあるシミュレーション結果をWeb上でモニタリングしながら解析研究を行うなど、密接に連携を図りながらシミュレーション研究に直接参加できるシステムの研究開発を行っています。