2020 Fiscal Year Research-status Report
Study on a superconducting micro particle in a magnetic trap
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20K03819
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
森脇 喜紀 富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (90270470)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 かおり 富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (80397166)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 微粒子 / レーザーアブレーション / Mie散乱 / レニウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザーアブレーションにより超流動ヘリウム中にレニウム(Re)微粒子を生成し、超伝導状態の微粒子のみを四重極磁場により捕捉する。不要な微粒子はレーザー加熱により脱落させ微粒子1個のみを捕捉する。捕捉された単独の微粒子によるレーザー光の散乱光強度の角分布を3つのレーザー波長について調べ，その測定結果はReの常温での複素屈折率を用いてMie散乱理論により説明でき，その結果微粒子のサイズを光学的に求めることができた。Reはバルクでは超伝導転移温度が1.7Kであるが，我々が生成した微粒子では超伝導転移温度が液体ヘリウムの1気圧の蒸気圧下での沸点4.2Kよりも高いため，常伝導転移により微粒子を落下させて微粒子を回収することが困難であったが，比較的大きい微粒子について回収して実験装置から取り出し，走査型顕微鏡で観察できるようになった。その結果，電子顕微鏡像による微粒子径の測定とMie散乱による測長では，数%の範囲で一致していることが分かった。また，有限要素法による数値計算により，微粒子の真球からのゆがみがMie散乱角度分布に及ぼす影響について調べ，微粒子サイズ測定への影響を見積もった。
また，数十気圧程度まで加圧できる液体ヘリウムセルを用いて，微粒子捕捉の実験を始めた。アブレーションレーザーのパワーや圧力などを調整して微粒子捕捉実験に取り組んでいる。また，超伝導ギャップをミリ波を用いて測定するために，クライオスタットのガラス窓からミリ波を内部に導入するために，窓ミリ波のガラス透過率を測定した。今後，窓材を通じてミリ波を導入する。
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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
レニウム微粒子についてMie散乱を測定することにより微粒子のサイズを捕捉した状態で調べることが可能となった。今度，超伝導転移温度のサイズ依存性を議論するためのサイズ測定の手法が得られた。また，微粒子の超伝導ギャップをミリ波の吸収により直接測定するための，予備実験が進んだ。以上のことより，順調に進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在の実験装置での到達温度の上限は，液体ヘリウムの1気圧下での沸点である4.2Kである。このため，レニウム微粒子の転移温度は現状では4.2K以上としかいえていない。この上限温度を高めRe微粒子の転移温度を確定させるために次の方法手法を開発する：
ヘリウム加圧セルの利用 液体ヘリウム中で生成した微粒子を空間捕捉した状態で，液体ヘリウムから気体ヘリウムに相転移させる場合，液面が微粒子を通過する際の表面張力により微粒子が捕捉から外れる。そこで，液体ヘリウムを加圧して超臨界点(5.2K, 2.26atm)付近を実現させる。微粒子の生成方法，トラップ方法，セルの構造について検討し，空間捕捉の実現を探る。加圧セルのサイズによっては，新たにガラス製のクライオスタットの導入を検討する。
気相中での空間捕捉の検討 上記の問題は液体ヘリウムを用いていることに起因している。ヘリウムガス中での微粒子生成と空間捕捉を検討し，その実現を探る。
これらの手法を開発することにより，Re微粒子の超伝導転移温度を確定させる。
空間捕捉された微粒子の超伝導ギャップをミリ波の吸収させることによる直接測定を行う手法を開発する。ミリ波を吸収し常伝導状態となった微粒子は捕捉から脱離するため，捕捉/脱離の測定で遷移を調べる。微粒子の捕捉領域にミリ波を導く手法として，光学窓を透過させる方法とクライオスタットの上部から導波管を通じて導く方法等を検討する。インジウムやスズなどの微粒子を対象として，その超伝導ギャップの直接測定へと進めていく。
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| Causes of Carryover |
COVID-19対応で実験的な研究の開始時期が遅くなったため，次年度にミリ波の導入および加圧セルの改造等の実験装置の構築を行う予定である。
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