2017 Fiscal Year Research-status Report
低次元強相関ボーズ流体の超流動ダイナミクスと非線形応答
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17K05568
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
檜枝 光憲 東京医科歯科大学, 教養部, 教授 (30372527)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 超流動 / 低次元 / KT転移 / TL液体 / ボーズ液体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は低次元強相関ボーズ流体（ヘリウム４）をモデル系として、低次元超流動転移のダイナミクスを研究することを目的としている。
平成２９年度は、回転希釈冷凍機を使った水晶マイクロバランス（QCM）実験を実施した。動的KT転移の特徴がより顕著となるMHz高周波において金基板上ヘリウム４薄膜超流動転移の研究を実施してきた。今のところ高周波実験では、ねじれ振り子で観測された顕著な回転効果は観測されていない。電場中のクーロンガスとの対応関係より回転流による渦対の結合エネルギー低下の可能性について考察した。量子渦ペアについて、電場ゼロでは渦間距離が無限大まで引力を生じるが、有限の電場中ではある距離以上で斥力となり自由渦が生じる。この結果、回転流はある臨界速度以上になると非線形効果が起こり、エネルギー散逸の増大、ピーク温度の減少が引き起こされると考えられる。現在の実験状況（回転速度6.8 mm/s、20 MHz）は、臨界速度 200 mm/sを下回っておりこの非線形効果の寄与はほとんど無いと考えられる。また、この臨界速度は周波数依存を持ち、高周波ではこの非線形効果が起こりにくい状況になっていると思われる。
さらに予備実験として飽和蒸気圧下、超流動転移温度付近におけるバルクヘリウム４の横ずれ音響インピーダンス測定（20、100、300MHz）を実施した。すべての測定周波数において周波数変化およびQ値の逆数の変化は、ともに十分な測定感度があることがわかった。300MHz以上のマイクロ波帯においても水晶マイクロバランスを利用した超流動転移研究の可能性を示した。
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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
ナノ構造体により次元制御した低次元強相関ボーズ流体（ヘリウム４）をモデル系として、低次元超流動転移のダイナミクス（コスタリッツ-サウレス転移、朝永-ラッティンジャー流体、他）を研究する。振動振幅、周波数などの測定パラメータを大きく変化させることで、線形応答領域から理論的に取り扱い困難な非線形応答領域までを系統的に調べ、理論研究発展のための標準となる実験データを獲得することを目的としている。
平成29年度は、主にコスタリッツ-サウレス超流動転移に関して、①なぜ高周波で低周波実験で見られたような回転による非線形効果が見られないのかについて理論的な考察を実施し新たな知見を得た、②さらに予備的な横ずれ音響インピーダンス測定により300MHz以上のマイクロ波帯においても水晶マイクロバランスを利用した超流動転移研究の可能性を示した。以上より、次年度以降の研究に繋がる結果を得ており、研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
次元制御したヘリウム４強相関ボーズ流体に対して線形応答領域における各種振動子（ねじれ振り子、水晶チューニングフォーク、水晶マイクロバランス(QCM)、表面弾性波デバイス(SAW)）測定を実施する。いろいろな原子相関を持ったヘリウム４ボーズ流体に対して温度スイープ測定を実施する。原子相関制御は、ナノ構造上の粒子数を制御し密度（原子間距離）を変化することで行う。得られたデータから各パラメータ依存（温度、原子相関、周波数、振幅）を明らかにし、既存の理論と定量的な比較検討を実施する。振動子を大振幅でドライブし低次元超流動転移の非線形応答を研究する。また、基盤の他分子表面装飾による拡散長制御を組み合わせてKT超流動転移の理論が破綻する高周波極限を研究する。
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| Causes of Carryover |
（理由）本研究課題の立案時に想定していなかった共同研究先（理研）の閉鎖が決定し、そちらに設置してある特殊な装置（回転希釈冷凍機）も破棄されるため、それを使った実験を優先したため、当初と計画が変わった。次年度、本務先の極低温冷凍機の設備更新し、円滑に研究が継続できるように多めの金額を繰り越した。
（使用計画）
極低温冷凍機システムの物品費（バルブ、真空部品、配管等）、超低温実験に必要な寒剤代（液体ヘリウム、液体窒素）、旅費等に充てられる。
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