回転冷凍機を用いた超流動3He-A相中の量子渦格子の観測

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K05169
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 松原 明 京都大学, 理学研究科, 准教授 (00229519)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高木 丈夫 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (00206723) ; 上野 智弘 京都大学, 医学研究科, 助教 (10379034)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 超流動3He / 量子渦 / 第2音波 / NMR / MRI

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，回転させた異方的超流動3He-A相に生じる量子渦の観測を目的としている。特に，量子渦が作る格子（渦格子）の観測を行い，量子渦の構造や散逸メカニズム等についての知見を得たいと考えて研究を行っている。
上記のために回転冷凍機システムと測定系の構築と試料セルの作成，テスト等を行うべく作業を行ってきた。しかし，希釈冷凍機システムで真空ジャケットの漏れがあり，また希釈冷凍機の3He-4He混合ガス循環系にトラブルがあり，その修繕に時間を要している。これらの作業は77K以下の低温下での確認が必要であり，長い時間がかかる要因となっている。そのため，平成29年度の終わりに1年間の期間の延長を申請した。現状は冷凍機としてのテスト段階までたどり着いており，至急テストを行いたいと考えている。
一方，回転冷凍機の評価のために超流動4Heにおける第2音波の量子渦の減衰の測定を行うべく，4Heクライオスタットでのテストを行った。超流動4Heの第2音波は，超流動成分と常流動成分が逆位相で振動する振動モードであり，エントロピー及び温度の振動が波動として伝播していく。そのため，その励起と測定はヒーターと温度計で行う。特に，温度計は kHz の振動を捉えるだけの高速の時間応答が必要であり，今回は酸窒化ジルコニウム薄膜の抵抗値を測る温度センサーがむき出しになったものを検出器に採用した。4Heクライオスタットでは約1.3Kから2.2Kの温度範囲で，気柱共鳴法を用いて第2音波の音速と吸収の線幅の温度依存性を測定した。測定の結果，S/N比に難があるものの，過去に得られている音速や減衰係数の温度依存性の結果とよい一致を示した。今後ノイズを減らし，測定できうる最低温度付近で回転の効果を調べる測定を行いたいと考えている。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

平成29年度には希釈冷凍機システムに漏れがあり，作業が大幅に遅れた。今回の漏れは断熱用の真空ジャケットの漏れ，および循環系におけるトラブルであり，修繕時に冷却テストが必要なこともあり回復に時間を要した。そのため，測定系の作業が進んでいない。
一方で回転冷凍機の効果を確かめるべく超流動4Heの第2音波の測定系のテストを行い，4Heクライオスタットを用いたテストで好感触を得ている。当初，タイムオブフライト法を用いた音速の測定を試みたが，ノイズが多く十分な感度を得られなかった。そこで気柱共鳴法に切り替えた結果，共鳴周波数と線幅の温度依存性の測定から，第2音波の音速と減衰係数の温度依存性を得ることができた。この結果を元に，回転時の減衰係数の変化を測定し，回転による量子渦の第2音波の減衰係数に対する効果を調べたいと考えている。

Strategy for Future Research Activity

現在，回転冷凍機システムは修繕後の最終テストの段階に入っている。今後，希釈冷凍機としての冷凍能力の確認を行うと同時に，超流動4Heの第2音波の減衰係数の回転速度依存性の測定から，量子渦の情報を得たいと考えている。

Causes of Carryover

平成29年度には希釈冷凍機システムに漏れがあり，作業が大幅に遅れ，思うように低温下でのテストや測定が行えなかった。そのために使用であった寒剤の利用が少なく，多くの金額が残る結果となった。今回の漏れは断熱用の真空ジャケットの漏れ，および循環系におけるトラブルであり，修繕時に冷却テストが必要なこともあり回復に時間を要した。
平成30年度は冷凍機の最終のチェックを行い，まずは回転下での超流動4Heの第2音波の観測行いたいと考えている。