収束高エネルギー密度音波による量子核生成の研究

• Project/Area Number: 09226210
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 奥田 雄一 東京工業大学, 理学部, 助教授 (50135670)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松本 宏一 東京工業大学, 理学部, 助手 (10219496)
• Project Period (FY): 1997
• Project Status: Completed (Fiscal Year 1997)
• Budget Amount: ¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 1997: ¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000)
• Keywords: 量子核形成 / 量子トンネリング / 超流動4He / 固体4He / 収束超音波 / Negative crystal / 音波による融解 / グリンフェルト不安定性

Research Abstract

絶対零度近傍における固体^4Heは、超流動^4Heから圧力を24気圧かけることによって1次の相転移で生成される。極低温のために両相におけるエントロピーがともに消失しているため、この転移では潜熱が伴わない。また超流動相からの結晶成長であるため質量輸送に散逸が伴わないため、異常なほど高速で結晶が生成される。このように量子効果の強い結晶であるが、この結晶生成に伴う核形成が量子力学的トンネル効果によってひきおこされることが期待出来る。これまでの研究は、固体^4Heの核形成は容器の壁で生成された微小種結晶の成長に関する、いわゆるHeterogengeousな核成長に関するものばかりであった。本研究では収束超音波によって超流動^4Heの中心で結晶を成長させることを試みるものである。結晶生成の様子は過加圧からの圧力減少と、光学的手法によるものがあり、実験がかなり進んでいる。
最終結果を得るところには至っていないが、極低温の固体^4Heのダイナミックな成長、融解の様子が音波の透過信号や好感度CCDビデオカメラに収められた。その一例を紹介すると、強力な超音波によって固体が融解することが初めて見出された。また、さらに音波の振幅を大きくすると固体中に超流動相が生成され、結晶中を浮力によって上昇していくことが発見された。上昇するためには、融解・固化が連続的におこらねばならない。さらに驚くことに、結晶中の超流体のまわりにファセットと呼ばれる結晶面が観測され、結晶面を見せながら上昇していく。結晶中をnegative crystalが移動していくという興味深い現象が見出されている。