回転する超流動ヘリウム-3の量子流体力学の研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14204036
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 水崎 隆雄 京都大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20025448)
• 研究分担者: 石本 英彦 東京大学, 物性研究所, 教授 (60044773) ; 佐々木 豊 京都大学, 低温物質科学研究センター, 助教授 (60205870) ; 石川 修六 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (90184473) ; 高木 丈夫 福井大学, 工学部, 助教授 (00206723) ; 久保田 実 東京大学, 物性研究所, 助教授 (60192035)
• キーワード: 超流動ヘリウム-3 / 回転超低温冷凍機 / 量子渦 / テクスチャー / 渦生成 / 渦消滅 / 超流動-A相 / 核磁気共鳴

研究概要

1)本申請の前年に東京大学物性研究所において完成した世界最高速度、毎秒1回転で回転するサブmK温度域の超低温冷凍機を用いて、0.1と0.2mmφの円筒容器中の回転状態の超流動^3He-A相を研究した。超流動Heの量子流体力学は、速度場は巨視的な波動関数で記述される所に特徴がある。本研究で円筒容器中の波動関数の空間構造(テクスチャーと云う)の決定と、種々のテクスチャーでの量子化された渦の生成・消滅機構を調べた。超流動転位温度を通過する時の冷却速度と回転速度と磁場の組み合わせによって、大きい方の0.2mmφのサンプルでは3種類のテクスチャーが見い出さた。各々のテクスチャーでの量子渦生成と消滅の臨界回転角速度を測定したが、生成と消滅の間に大きなヒステリシスがあり、臨界速度は温度に依存しない。一つのテクスチャーに於いて量子渦生成が回転方向に対して対称でなく、このテクスチャーが巨視的な角運度量を持つものであることが分かった。また0.1mmφのサンプルでも3種類のテクスチャーが見い出された。この試料では毎秒1回転までは量子渦の生成は起こらない。現在、理論計算と実験の比較を行っている。2)ナノ構造多孔質物質であるアエロジェル中の超流動^3Heの量子・ナノ流体力学(nanofluidics)の研究を行った。回転下でのNMRスペクトルから超流動B-相において量子化された渦がアエロジェル中に侵入し、一部ピン止めされ、回転を停止しても長期間安定に超流動永久流が保持されていることが分かった。

研究成果

• [文献書誌] T.Ueno, Y.Kawaguchi, Y.Kinoshita, Y.Sasaki, T.Mizusaki: "Magnetic Domain Structure of U2D2 Solid ^3He by Using the Magnetic Resonance imaging"Journal of Low Temperature Physics. 127. 1-10 (2002)
• [文献書誌] Y.Kawaguchi, T.Ueno, Y.Kinoshita, Y.Sasaki, T.Mizusaki: "Crystal Growth and Melting of Nuclear-Ordered Solid ^3He"Journal of Low Temperature Physics. 126. 27-32 (2002)
• [文献書誌] Y.Yamaguchi, S.Sasaki, S.Lee, Y.Sasaki, T.Mizusaki: "Sound Velocity and Atenuation in Nuclear-Ordered U2D2 Solid ^3He"Physica B. (to be published). (2003)
• [文献書誌] Y.Kawaguchi, T.Mizusaki: "Melting Rate of U2D2 Solid ^3He"Physica B. (to be published). (2003)
• [文献書誌] R.Ishiguro et al.: "Vortex Nucleation and Texture of rotating ^3He-A in cylindrical cells with R〜10ξD"Physica B. (to be published). (2003)
• [文献書誌] M.Kubota et al.: "Superfluidity and Quantized Vortex Studies under Rotation up to 4Hz at mK and 1Hz an sub-mK Temperatures"Physica B. (to be published). (2003)