収束超音波による固体ヘリウム4のラフニング転移とステップ間相互作用の解明

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13740209
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 野村 竜司 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助手 (00323783)
• キーワード: 固体ヘリウム / 超流動ヘリウム / 超音波 / 結晶成長 / 音響放射圧 / ファセット / 核生成 / ラフニング転移

研究概要

収束超音波発振子を1K以下の極低温で一次元走査する機構を完成させ、超流動液体中の固体ヘリウム4の表面からの反射信号を観測した。反射信号の強度は強い温度依存性を示し、反射係数による結晶成長係数の測定が可能であると分かった。また一次元走査することによって得られた反射信号強度の界面と発振子間距離依存性(V(z)曲線と呼ばれる)の測定に成功した。これは界面での超音波反射係数の入射角依存性ひいては表面波の音速の情報を含むものである。固体ヘリウム4で初めてV(z)曲線の測定を行い、ラフニング転移温度以下でこれまでに知られていなかった非常に伝播速度の速い表面波励起が存在するらしいことが分かった。
また超音波を用いて自由に固体ヘリウム4を成長融解させることが可能であることを見出した。固液界面に超音波を放射すると、750mK以下の温度では超音波の方向に界面が力を受けて結晶が成長あるいは融解することを発見した。これは2次の音響効果である音響放射圧によって界面が力を受け、成長と融解が駆動されたとして定量的に説明できた。音響放射圧は古くから知られている概念であるが、これが結晶成長などの一次相転移を駆動できることは全く知られておらず、我々の実験ではじめて明らかになった。この放射圧による界面移動の温度依存性を測定するとラフな界面では800mK以上の高温で力の向きが音波の向きと逆になった。またこの逆転温度はファセットに近づくと急激に低下するなどの大きな異方性を持つことが分かった。
融解圧下にある液体中で超音波パルスを照射すると超音波発振子上に固体が核生成した。同様のことを固体中で行うと今度は液体の泡が核生成することが分かった。超音波は固体核と液体核の両方を"可逆的"に生成するという特異な結果が得られた。

研究成果

• [文献書誌] R.Nomura, Y.Suzuki, S.Kimura, Y.Okuda: "Interface Motion and Nucleation of Solid Helium-4 Induced by Acoustic Waves"Phys. Rev. Lett.. 90. 075301-1-075301-4 (2003)
• [文献書誌] Y.Okumura, M.Maekawa, Y.Suzuki, R.Nomura^*, Y.Okuda: "Sound induced melting of solid ^4He in a superfluid"J. Crystal Growth. 237-239. 47-50 (2002)
• [文献書誌] R.Nomura, M.Maekawa, Y.Suzuki, Y.Okumura, Y.Okuda: "Melting of Solid 4He by Ultrasound at 1.2 K"J. Low Temp. Phys.. 126. 39-44 (2002)
• [文献書誌] Y.Okumura, M.Maekawa, R.Nomura, Y.Okuda^*: "Melting by Sound in Solid ^4He"Physica B. 316-317. 613-615 (2002)
• [文献書誌] R.Nomura, Y.Suzuki, S.Kimura, Y.Okuda, S.Burmistrov: "Manipulation of solid-liquid interface of ^4He by acoustic radiation pressure"Low Temp. Phys.. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] Y.Suzuki, S.Kimura, M.Maekawa, M.Ueno, R.Nomura^*, Y.Okuda, S.Burmistrov: "Melting and Growth of Solid ^4He by Ultrasound"Physica B. (印刷中). (2003)