2016 Fiscal Year Annual Research Report
超流動ヘリウム流れ場における量子渦の運動状態の研究
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15H03694
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
矢野 英雄 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70231652)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 低温物性 / 流体 / 超流動ヘリウム / 量子渦 / 量子乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超流動ヘリウム（4He）の渦の量子化の発見から半世紀がたつが、量子渦の動的な性質はいまだ明らかになっていない。それは渦芯半径が0.1 nmと大変細く、渦の運動を観測する手段が少ないためである。我々は、超流動ヘリウムの量子渦が境界（壁）に付着し、境界の振動に伴って量子渦が運動することを発見した。この量子渦のユニークな性質を利用し、渦の運動状態を実験的に明らかにすることを目的としている。これまでの主な研究実績は以下のとおりである。
１．初年度に製作した振動ワイヤーによる量子乱流生成装置と量子渦検出装置を用いて、振動流れ場によって発生する量子渦の運動状態を調べた。ワイヤーに直径２μｍの超伝導極微細線（NbTi）を用いることで、振動流による量子渦発生に伴って失うエネルギー損失を精密に測定し、量子渦が発生する振動流の臨界速度を求めた。
２．量子渦の再結合によって放出される量子渦の運動について、渦の発生から検出までの時間を測定し、時間の分布からその統計性が指数分布にしたがうこと、したがって渦の放出がランダムであることを明らかにした。
３．実験の設定条件を変えることにより、検出渦輪サイズの調整に成功した。また渦環放出の異方性についての予備的な結果を得た。これらの研究課題を発展させるために、継続して研究を行っている。
４．低温モーターによるブレードの回転によって、超流動回転流の駆動に成功した。この装置を利用する量子渦の生成・観測装置を試作し、回転流駆動の予備的な結果を得た。
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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
当初の計画どおり実験装置の開発・製作を行い、次の成果を得た。
実績１、２については、渦の生成器と検出器について超流動ヘリウム中で動作テストを行い、計画どおりの結果を得た。さらに渦の生成器から放出される量子渦を、検出器で検出することに成功した。これらの組合せにより放出された量子渦運動の統計性に関する実験を行い、これらの研究成果を国際会議や日本物理学会などで報告した。
実績４については、超流動ヘリウム中で動作するモーターを開発し、超流動ヘリウム中でブレードを回転させることで、超流動回転流を駆動することに成功した。これらの研究成果を国際会議や日本物理学会などで報告した。
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| Strategy for Future Research Activity |
超流動ヘリウムの流れによって生成され運動する量子渦の状態を、量子渦検出センサーを用いて実験的に研究する。ワイヤーを振動させることで相対的に流れる超流動の流れ場を利用し、渦の生成と伸張および再結合によって発生する渦輪の運動を、量子渦検出センサーで検出する。振動流れ場の方向によって渦の伸長過程は変わると考えられるので、複数の量子渦検出センサーを配置する。また回転流の駆動には低温モーターを用いる。これらの装置により、次の研究を行う。
１．量子渦が伸長し再結合がおこる超流動流の臨界速度を研究する。ワイヤーに直径２μｍの超伝導極微細線（NbTi線）を用いることで、量子渦の生成・伸長によって失うエネルギー損失を、精密に測定することが可能である。振動ワイヤーの速度とエネルギー損失を測定し、量子渦の伸張過程を研究する。
２．量子渦の再結合によって生成される渦輪の運動を、量子渦検出センサーで観測する。１の量子渦生成・伸長によるエネルギー損失が始まる時間から、検出センサーで渦輪が検出されるまでの時間を測定し、その時間分布から渦輪生成の統計則と伸張過程を研究する。
３．量子渦の運動状態とそのサイズとの関係を研究する。これまでの研究により、量子渦検出センサーの調整と超流動ヘリウムの温度制御で、速く運動する渦輪の検出を抑制できることを見出した。この方法を利用し、再結合によって生成される渦輪のサイズ分布を研究する。
４．振動流れ場に平行および垂直方向について、上記２と３の研究を行うことで、渦の伸張過程と渦輪生成の異方性を調べる。これらの研究より、振動ワイヤーの周囲に形成される量子渦領域（渦のタングル領域）の成長過程を研究する。
５．流れ場の可視化法を開発する。回転流によって変化する超流動液面形状の可視化と、固体水素微粒子による流れ場の可視化を行い、渦の生成・成長過程とその運動状態を研究する。
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