Improvements of the investigation on Bose condensate state with well-controlled quantum vortex ring

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03734
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Muroran Institute of Technology
• Principal Investigator: Shibayama Yoshiyuki 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20327688)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子渦 / 渦輪 / 超流動ヘリウム / 低温物理学 / 巨視的量子効果 / 巨視的量子現象 / 強相関ボース凝縮体

Outline of Final Research Achievements

This study aims to develop a quantum vortex ring generator capable of creating a well-controlled quantum vortex ring in superfluid helium-4 regarding size, number, and motion direction, and to realize a new experimental method for investigating quantum fluid. The prototype generator has a jet nozzle of 0.3 mm in diameter and two piezoelectric diaphragms: a driver and a receiver. Applying impulse voltage to the driver causes jet flow of liquid helium, and the receiving diaphragm detects the response. The creation of a quantum vortex ring in superfluid helium was examined based on the vibration characteristics of the diaphragm. It was found that the Q-value of the diaphragm significantly decreased above a specific threshold excitation voltage. This phenomenon is similar to previous studies in the quantum vortex ring generation using vibrating wire, indicating the present quantum vortex ring generator can create a quantum vortex ring.

Free Research Field

低温物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では，数，形状，運動方向全てを制御した量子渦輪を発生できる量子渦輪発生器の開発に取り組んだ．これまでこれら全てを制御した量子渦発生法は確立されていない．この実現が本研究の学術的意義である．この量子渦輪発生器を複数設置することで，量子渦輪同士の衝突実験が可能となる．さらに2006年にLathropらが報告した量子渦可視化と組み合わせることで，計算機シミュレーションで予言されている量子渦の衝突や再結合過程を直接検証する研究に発展させることが可能となる．本研究により良く制御された量子渦発生法を確立することで，ボース凝縮体のダイナミクスの実験的研究に新たなアプローチをもたらすことが可能となる．