^3He-^4He混合液過飽和状態からの相分離ー1次相転移における量子効果ーの研究

1992 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03452048
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 武郎 東北大学, 理学部, 助教授 (00004424)
• 研究分担者: 滝川 昇 東北大学, 理学部, 助教授 (00125600) ; 高木 伸 東北大学, 理学部, 助教授 (90124594) ; 山口 晃 東北大学, 理学部, 助教授 (60004470) ; 澤田 安樹 東北大学, 理学部, 助教授 (90115577)
• キーワード: 1次相転移 / 相分離 / 量子トンネル効果 / 巨視的量子現象 / ^3He-^4He混合液 / 超低温 / 超流動 / 量子核形成

研究概要

1次相転移は、一様な準安定相中に揺らぎによって安定相の核が形成され、これが成長することによって進行する相変化である。核の形成には界面エネルギーに由来するポテンシャル障壁が存在し、この障壁を乗り越えた核(臨界核)のみが成長できる。通常、この障壁は「熱揺らぎ」によって乗り越られるものと考えている。しかし、障壁に比して充分低い温度域では「熱揺らぎ」の効果は期待できない。そのような温度域においてもなお1次相転移が依存するとすれば「量子トンネル効果」によって障壁を通り抜けることによる臨界核形成の可能性が予想される(量子核形成)。臨界核は多数の粒子を含み、したがって、量子核形成は巨視的量子現象であり、理論的にも未解決の分野である。
我々は、量子核形成の可能性を実証する目的で、^3He-^4He混合液過飽和状態からの相分離の研究を行った。^3He-^4He混合液中の^4Heが超流動状態に在ることを利明して、「超流体移送法」と名づける過飽和状態実現の手段を開発し、130mKから400μK(mK=10^<-3>K、μK=10^<-6>K)に亘る広い超低温域において、臨界過飽和度の温度依存性を明らかにすることができた。結果は、約10mK以下では臨界過飽和度が温度に存在しなくなるというものであり、この事実は将に約10mK以下では量子核形成が実現していることを強く示唆するものである。一方約10mK以上では、臨界過飽和度は温度と共に増大する。この事実は「量子核形成」の領域から「熱揺らぎ」の領域への移行という単純な考えと矛盾するものである。我々は、約10mK以上でも量子核形成の領域であり、巨視的量子現象特有の「エネルギー散逸」の効果が高温域で現れているのではないかと考えている。この予測を実証することを含めて、臨界核形成後のダイナミックスに焦点を当てた研究を今後行っていく予定である。

研究成果

• [文献書誌] T.Satoh: "Critical Supersaturation of ^3He-^4He Liquid Mixtures" Proceedings of the 4th International Symposium on Foundations of Quantum Mechanics. (1993)
• [文献書誌] T.Satoh: "Critical Supersaturation of ^3He-^4He Liquid Mixtures-Decay of Metastable States at Ultralow Temperratures" Physical Review Letters. 69. 335-338 (1992)
• [文献書誌] T.Tsuda: "Superleak-tight Cold Valve Testable at Room Temperature" Review of Scientific Instrment. 62. 841- (1991)
• [文献書誌] T.Satoh: "Adiabatic Flow of He 2. 4. Superfluid Frictional Force Fs" Physica B. 172. 420-427 (1991)
• [文献書誌] T.Satoh: "Adiabatic Flow of He 2. 3. Flow State of ^3He" Physica B. 172. 409-420 (1991)
• [文献書誌] T.Satoh: "Unsaturation,Supersaturation and Demixing in ^3He-^4He Mixtures" Physica B. 169. 513-514 (1991)
• [文献書誌] N.Takigawa: "Heavy-ion Fusion Reaction with a Halo Nucleus-Large Enhancement of the tunneling Probadility-" Proceedings of the 4th International Symposium on Foundation of Quantum Mechanics. (1993)
• [文献書誌] A.B.Balantekin: "Two-time Influence Functional Approach to Multidimensional Quantum Tunneling" Proceedings of the 4th International Symposium on Foundation of Quantum Mechanics. (1993)
• [文献書誌] S.Takagi: "Tunneling Through a Squeezing Barrier" Proceedings of the 4th International Symposium on Foundation of Quantum Mechanics. (1993)
• [文献書誌] N.Takigawa: "Quantal and Thermal Zero Point Motion Formulae of Barrier Transmission Probability" Physical Review C. 45. 1850-1855 (1992)
• [文献書誌] N.Takigawa: "Fusion of a Halo Nucleus and Synthesis of Superheavy Elements" Nuclear Physics A. 538. 221C-228C (1992)