2020 Fiscal Year Research-status Report
数と形状を制御した量子渦輪によるボース凝縮体ダイナミクス研究への新たなアプローチ
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19K03734
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
柴山 義行 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20327688)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子渦 / 渦輪 / 超流動ヘリウム / 低温物理学 / 量子渦 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，超流動ヘリウム4中に数，形状，運動方向を制御した量子渦輪を発生できる量子渦輪発生器を開発し，実験的に量子渦のダイナミクスを解明する研究に対して新たな研究手段を実現することである．内径0.1 mmのノズルからパルス的に超流動ヘリウムを噴出させて超流動中に量子渦輪を発生させることで，発生させる渦輪のサイズ，数，運動方向の3つを制御する．超流動ヘリウムのパルス的な噴出のための駆動機構には圧電振動板を用いる．
前年度までの研究により，圧電振動板をその共振周波数で駆動することで量子渦輪の発生に充分な噴出速度を実現できることを明らかにした．その一方，圧電振動板その共振周波数で駆動すると，その内部摩擦に起因する発熱により超流動状態が破壊される可能性があることが明らかとなった．この発熱を抑えて圧電振動板を駆動するために圧電振動板の共振の代わりにヘルムホルツ共鳴を駆動機構として利用できないか検討し，ヘルムホルツ共鳴器の試作を行った．また，量子渦輪発生器により発生した量子渦輪を研究室既存設備で検出する手段を確立するため，振動細線(バイブレイティングワイヤー)の試作に取り組んだ．
ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数は容器の体積，開口部の長さと断面積に依存する．量子渦輪発生器を模して試作したヘルムホルツ共鳴器では約136 Hzにヘルムホルツ共鳴を観測することができた．しかし，予備実験の段階ではあるが，想定している内径0.1 mmのノズルを設置するとヘルムホルツ共鳴が抑制されてしまうことが明らかとなった．
試作したバイブレイティングワイヤーは設計通りの駆動およびその共鳴を観測することができ，研究室既存設備で量子渦輪の検出を行える環境を整えた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初，2020年度の研究計画では，
(a) ヘルムホルツ共鳴を駆動機構として用いた量子渦輪発生器の試作，
(b) 液体ヘリウム4の排気冷却による最低温度1.5 Kまでのクライオスタットの製作，
を計画していた．(a)に関しては研究実績の概要で述べたとおりヘルムホルツ共鳴器の試作には成功したが，量子渦輪発生のための内径φ0.1 mmのノズルを設置すると共鳴が大きく抑制されてしまうことが明らかとなった．(b)に関しては2019年度期末からの新型コロナウイルス感染症対策のために所属大学の金属工作室が閉鎖となり，クライオスタットの開発が困難となった．そこで研究計画を一部変更し，2021年度以降取り組む予定であった(c)量子渦輪検出のためのバイブレイティングワイヤーの試作を前倒しして取り組んだ．研究実績の概要で述べたとおり，研究室既存の研究設備で量子渦輪を検出できる環境を整えた．
当初計画の一部を実施できなかったが，2021年度以降に実施予定であった研究計画を実施し，一定の成果を得たことから，やや遅れている，と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度に試作を行ったヘルムホルツ共鳴を利用した量子渦輪発生器は，予備実験の段階ではあるがφ0.1 mmのノズルを設置するとヘルムホルツ共鳴が大きく抑制されてしまうことが明らかとなった．これが量子渦輪発生器の構造上の問題か検討を行い，デザインの改善を行う．また，所属大学の新型コロナウイルス感染症対策による大学共通金属工作室の閉鎖状況が今後も続く見通しなので，研究室内に新たにCNC旋盤とCNCフライス盤，その他金属加工設備を整備した．これらの工作機械を用いて液体ヘリウムの減圧排気により1.5 Kまで実現できるクライオスタットの製作に取り組む．
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| Causes of Carryover |
2020年度に液体ヘリウム4の排気冷却による最低温度1.5 Kまでのクライオスタットの製作を計画していた．しかし，2019年度期末からの新型コロナ感染症対策のために所属大学の金属工作室が閉鎖となり，クライオスタットの開発が困難となった．そこで研究計画を変更し，他予算で2020年度内に研究室内にCNC旋盤とCNCフライス盤，その他金属加工設備を整備し，2021年度にクライオスタットの製作を実施することとした．この次年度使用額と翌年度分として請求した助成金とを合わせて，液体ヘリウム4の排気冷却による最低温度1.5 Kまでのクライオスタットの製作を行う計画である．
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