| Project/Area Number |
23K22440
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| Project/Area Number (Other) |
22H01169 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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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 | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐々木 豊 京都大学, 理学研究科, 教授 (60205870)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松原 明 京都大学, 理学研究科, 准教授 (00229519)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
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| Keywords | 超流動ヘリウム３ / カイラル超流動 / カイラルドメイン / ドメインウォール / スーパーカレント / 固有角運動量 / MRI / 超流動 / 量子流体力学 / カイラル / テクスチャー |
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| Outline of Research at the Start |
超流動体には、摩擦による減速なしに永久に流れ続ける超流動流が存在し、未来における情報伝達の柱となる可能性がある。シンプルな超流動体では、超流動流が波動関数の位相の空間変化により与えられる。一方、カイラル超流動体である超流動ヘリウム3-A相においては、位相変化による流れのみならず、波動関数そのものの空間変化に応じた、質量ならびにスピンの超流動流が存在すると考えられているが、超流動流の直接的な測定手段がなく明瞭な実験検証はなされていない。本研究ではこの2種の超流動流の実在を磁気共鳴映像法を利用した新開発の手段で実験的に検証し、2流体モデルを超える、3流体量子流体力学の必要性を検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
外部磁場が面内方向に印加された平行平板セル内の超流動ヘリウム3-A相は、カイラルベクトルの向きが平板の法線方向に揃ったテクスチャーを基底状態として保有するカイラル超流動体である。しかし、実験装置内で実現される状態は、カイラリティが平板の法線方向あるいはその逆方向のいずれかに有限領域でそろったカイラルドメインが、薄いドメインウォールを挟んで隣接する、カイラルドメイン構造を取ることが超低温MRI撮影による先行研究により示されている。複数のドメインが隣接するとき、エネルギーの高いウォール部分の面積を最小とするため、セルの長手方向に直交する平行なウォールとなることが期待されるが、ウォールを横切るスーパーカレントが流れている時には、1本毎に逆の方向に傾いた八の字あるいは逆八の字パターンを描くことを発見した。この現象は、カイラルドメイン内のクーパー対が持つ固有角運動量を成因とするオービタルスーパーカレントがエッジであるドメインウォールに沿って自発的に流れ、ウォールを横切るスーパーカレントとの相互作用により傾くことにより理解された。スーパーカレントの向きと隣接する2本のウォールの傾きの方向の関係から、挟まれたドメインのカイラルべクトルの向きを決定した。マクロな大きさのカイラルドメインを実空間上で配置し、そのカイラルベクトルの向きを決定できることは、カイラル超流動体の流れ応答の実験研究への新たな道が開かれたことになる。さらに、傾きよりオービタルスーパーカレントの大きさを決定することで、カイラルドメイン内の固有角運動量の大きさが1/2 N h-barに相当すること、すなわち、ドメイン内の全フェルミ粒子から形成されたクーパー対の角運動量がマクロに存在していることを確かめることができた。この成果は量子流体固体国際会議QFS24の招待講演として報告された。
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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
平行平板セルを用いて超流動ヘリウム3のカイラルドメイン構造と流れの関係についての研究成果をあげ、国際会議の招待講演として報告したことは概要欄に記述した通りである。 これとは並行して、マススーパーカレントと超流動体の相互作用検証に向け、定常的な流れの向き速さを制御して与えるために、本邦唯一の回転核断熱消磁冷凍機を整備増強する作業を進め、核断熱消磁冷凍段、予冷用高熱伝導熱リンク、断熱用高純度アルミ熱スイッチなど周辺構造の製作を完了し、静止下での断熱消磁冷凍により1mK以下まで冷却することに成功した。また、これとは別に、細い円筒形容器に閉じ込めた超流動ヘリウム3を対象に、磁気共鳴分光映像法(MRSI)によるテクスチャーの決定や多重パルス励起によるスピンマーク法を用いた流れの検出法の開発実験を進めた。固定型大型核断熱消磁冷凍機を整備して断熱性を飛躍的に改良し、１Φ円柱型試料セルを取り付けて超流動転移温度以下に冷却して、20日以上の連続測定を可能にした。MRI/MRSI測定の結果、セル内テクスチャーの立体構造解明につながる結果を得た。さらに１Φと大きな空間でありながら、ドメインウォールが安定生成することを発見した。また、これらの測定手段と連携してセル形状にあわせた境界条件でのテクスチャー計算を精密に行うための計算環境の整備増強を行い、限定的ながら３次元空間におけるテクスチャー計算も行えるようにし、これまでの２次元計算では確かめられなかったエッジの効果やスーパーカレントによるテクスチャーの変形がシミュレーションできるようになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平行平板セル内の熱対向流を利用して、マススーパーカレントを安定生成する手法の完成により、カイラルドメインのカイラルベクトル方向の測定が可能となった。また、究極のNMR測定ともいえるMRSI測定の豊富な情報量を元に、試料内の温度分布を測定し、各ドメイン・ドメインウォールのより詳細な理解を進めることができるようになった。これらを基にして、カイラル超流体の固有角運動量の検出に成功したので、これらの成果の出版準備を進める。また、テクスチャー計算能力 の向上を背景として、実験測定結果の解釈に有用なモデル計算の精度を高める。 これらと並行して、開発した回転断熱消磁冷凍機を用いて、超低温でのMRI/MRSI測定を回転下の超流動ヘリウム3に適用できるようにする。さらに、大型核断熱消磁冷凍機に取り付けた、直径1ミリの円筒形容器に閉じ込めた超流動ヘリウム3を対象に、磁気共鳴分光映像法(MRSI)によるテクスチャーの決定に挑戦する。多重パルス励起 によるスピンマーク法を用いた流れの検出法の開発は昨年の段階では不満足な成果しか得られなかったが、パラメータを再検討して再挑戦する。多重パルス励起によるスピンマーク法としてはダンテパルスによる格子模様の生成が有名であり、常流動相におけるテスト実験ではその生成に成功しているが、スピン動力学が非線形である超流動相では速いスピン緩和のため達成困難であった。スピンにつけた印の時間発展を追うことができるようになれば流れを可視化できることになる。
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