2017 Fiscal Year Research-status Report
Study on vortex concentration and enhanced vortex growth in superfluid helium
| Project/Area Number |
17K18761
|
|---|
| Research Institution | Osaka City University |
|---|
Principal Investigator |
矢野 英雄 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70231652)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
|
| Keywords | 低温物性 / 超流体 / 量子渦 / 超流動流 / 量子渦集中 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超流動ヘリウムの回転流に新たな流れを加えることで発生する、新奇な渦の状態を研究する。最近の我々の研究から、粘性のない超流動ヘリウムでも、量子渦を付着させた物体を動かすことで、超流動に流れが生じることを明らかにしてきた。このアイデアをもとに、量子渦を付着させた物体を回転することで超流動ヘリウムの回転流を誘起し、その流れを制御することで、量子渦集中を実現する。これまでの主な研究実績は以下のとおりである。
１．ヘリウムが超流動となる絶対温度２Ｋ以下で動作するモーターを開発した。摩擦の小さいブラシレスモーターを採用し、ステーターに超伝導線によるコイルを配置することで、発熱の少ないモーターを作成した。
２．モーターに必要な３つの部品：回転を検出する磁気センサー（ホール素子）、回転軸をサポートするベアリング、コイル磁芯のフェライトについて、低温での動作を調べ、これらの結果を基に部品を選定した。また、コンピューターによる回転制御システムを構築した。
３．モーターに６枚羽根のブレードを取り付け、超流動ヘリウム中でブレードを回転させることにより、ブレードから離れた位置でも超流動ヘリウム回転流を駆動することに成功した。さらに、回転流の駆動によって、回転中心と周囲との間に圧力差が生じることを確認した。この圧力差を利用し、流れの吸入口と取り出し口を調整することで、超流動ヘリウム流の制御に成功した。
４．超流動ヘリウム流の制御を行い、量子渦集中による巨大渦の生成を確認した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画どおり低温で作動するモーターの開発・製作をおこない、低温でのモーター駆動における問題点と解決方法について検討し、低温でのモーターの回転に成功した。この低温モーターを用いて、回転流が駆動できることを確認した。さらにパイプを用いて、回転流から小さな回転流を取り出すことに成功した。これらは計画どおりの成果である。しかし、ヘリウム液化設備の更新のため、研究に必要な液体ヘリウムの供給が十分ではなく、本研究の目標である量子渦集中による巨大渦の生成条件の確立までには至っていない。
|
| Strategy for Future Research Activity |
量子渦集中による巨大渦の生成条件を確立するとともに、量子渦集中を第２音波によって研究する。第２音波は２流体（超流動成分と常流動成分）からなる超流動状態に特有の音波で、超流動成分と常流動成分が逆位相に動く。量子渦は渦芯まわりに速い循環速度場をもつため、第２音波は量子渦によって吸収されることが知られており、第２音波の減衰比によって量子渦密度を測定することができる。これらを踏まえ、以下の研究を推進する。
１．第２音波発生・検出装置を製作する。第２音波の発生には、サブミクロンの多数の孔をもつニュクリポア膜を振動させる。孔の中の常流動成分は粘性のために膜とともに振動するのに対し、超流動成分は振動しない。この現象を利用することにより第２音波を発生させ、また同様の仕組みによって、第２音波を検出する。
２．１の装置を用いて第２音波の減衰を測定し、渦密度を解析することにより、量子渦集中状態を研究する。また量子渦が集中する過程や流れ場を止めた後の渦の拡散過程を調べることにより、量子渦集中機構と巨大渦の構造を明らかにする。
３．第１音波（通常の音波）のドップラー効果を利用して、巨大渦をまわる超流動速度場を研究し、量子凝縮相を記述する波動関数の位相状態を明らかにする。
|
| Causes of Carryover |
理由：本研究では、低温を得る寒剤として液体ヘリウムを使用する。液体ヘリウムは、大阪市立大学理学部ヘリウム液化施設より供給（有償）を受けるが、ヘリウム液化設備の更新のため、液体ヘリウムの供給がストップした。このため、研究に必要な液体ヘリウムを十分得ることができず、計画した額を使用することができなかった。
使用計画：モーター回転子とその駆動回路や定常流を取り出す流路の製作に、物品費を使用する。製作後に室温および低温での動作テストをおこなうが、これらのテストに寒剤（液体窒素、液体ヘリウム）を使用する。動作テストの完了後に量子渦集中による巨大渦の生成条件の確立をめざす。これらの実験に使用する寒剤も物品費で購入する。
|
