Nonlinear wave phenomena excited on vortex lines in quantum turbulence
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22K03518
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
永合 祐輔 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (50623435)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 低温物性 / 超流動 / 量子渦 / 量子乱流 / 素励起 / マイクロ・ナノデバイス / 量子渦・量子乱流 / 非線形現象 |
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| Outline of Research at the Start |
乱流は、液晶等の小スケールから宇宙プラズマ等の大スケールまで広範に存在する身近な現象である。しかし、この非線形非平衡な現象はその複雑難解さのため完全な統一的理論の確立に至っていない。超流動ヘリウムの乱流(量子乱流)は、不純物等他の影響が無視できる超低温で安定した量子渦から構成される乱流であり、実験制御が可能であることから、乱流現象の課題解決にとって魅力的な研究対象である。本研究では、超流動中で量子渦を制御する方法を確立し、ナノサイズの微小センサーを用いて渦に励起される非線形波動を調べることで、量子渦が示す波動乱流の性質を解明し、乱流現象の理解を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超流動中の量子渦糸における非線形波動や素励起放出過程におけるエネルギー輸送機構の解明を目的とし、2022年度に量子渦生成検出のためのセンサー開発と動作テストを行った。量子渦や素励起を微視的スケールで検出するために、3D光造形装置を用いて光硬化性樹脂製の架橋梁構造マイクロ/ナノビーム(MB/NB)共振器を開発した。第１段階として、様々な長さのマイクロサイズ共振器(MB)を作製し、最大長さ100μm程度まで架橋できることを見出した。このMB基板への電極配線にあたり、これまでの開発研究で調べた加工条件を基に光造形時のブロック段差を抑制し、さらに基板を順方向に設置して直接アルミニウムスパッタを行うことで、GNDショートおよび電極段切れを回避して電極を作製することに成功した。
GM冷凍機を用いて温度3.6K、真空中で磁場印可駆動法による共振器の動作テストを行い、Q値が少し低いもののMHz周波数域に複数の共鳴信号を観測することに成功した。梁構造モデルによる数値計算から、観測された信号の最低周波数が支持端条件の基本モードの共鳴周波数と妥当であることがわかった。共振Q値の改善の余地はあるものの、本研究で確立した共振器作製方法を用いれば、今後ナノサイズの共振器(NB)の実現が可能である。共鳴周波数とQ値については、より詳細な数値計算が現在継続中である。
これまでに、微細加工で作製した1μm幅のスリット構造を用いたヘルムホルツ共鳴セルについて、超流動ヘリウム中で位相スリップ現象に伴う量子渦生成を観測している。本データのさらなる詳細な解析により、一度に複数の量子化循環が生成していることを示す結果を得た。本実験装置は、量子渦生成の機構解明とともに本研究の目標達成に向けた量子渦環生成装置実現に有用である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の光硬化性樹脂製共振器開発において、光造形装置の加工条件の調整に加え、新たに順方向設置タイプのプラズマスパッタ装置を用いた電極作製方法に変更することによって、段切れやGNDリークなく電気的導通をとることに成功した。さらに、低温での駆動テストまで行い、本試料を低温領域で初めて共振駆動させることに成功した。ただし、量子渦や素励起に対する十分な検出感度を得るために、先行研究の大きいサイズのセンサーやリソグラフィを用いて作製したナノデバイスと同程度の共振Q値が望ましいが、今回低い値を得たことが今後の課題として残った。ヘルムホルツ共鳴器に関しては、新たに解析が進捗した。以上より、新たな課題はあるが、作製過程の改善により正常に共振駆動できるMB共振器を開発することができたことから、本年度はおおむね順調に進捗したと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、有限要素法を用いた数値シミュレーションにより梁構造物の共鳴周波数と共振Q値について系統的に調べ、計算結果を基に構造設計を改良し、より高いQ値のMB共振器の作製を試みる予定である。またそれと同時に、今回確立した作製方法でナノサイズの共振器(NB)を作製し、低温下で動作テストを行う。実験データが整いしだい、超流動ヘリウム中での量子渦や素励起に対する応答についての検証実験に向けて取り掛かる。
量子渦環生成装置に関しては、光造形装置を用いて、形状やサイズをよく制御した細孔構造物を作製し、フローテスト等を経た上で、今後のヘルムホルツ共鳴器開発の検討、設計に取り組む。
また、熱励起が少ない超低温領域でこれらの実験が行えるよう、冷凍機環境を準備する。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
