音響放射圧を用いた固体ヘリウムの結晶成長制御と新しい量子界面ダイナミクス

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15340114
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 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)
• 研究分担者: 奥田 雄一 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (50135670)
• キーワード: 量子固体 / 量子液体 / 超音波 / 音響放射圧 / 結晶成長 / 異方的界面 / 非線形音響効果 / 高速界面運動

研究概要

実験は我々が保有する光学窓付きの希釈冷凍機を用いて行った。室温部からヘリウム結晶を直接観察しながら、最低到達温度50mKまでの冷却が可能である。この装置を用いて超流動液体中に存在するヘリウム4結晶表面に超音波を放射すると、750mK以下の温度では音波の方向に応じて結晶が成長あるいは融解することを見出した。これは2次の音響効果である音響放射圧によって表面が力を受け、成長や融解が駆動されたとして定量的に説明できた。また結晶方位や音響パワー、超音波パルス時間などを系統的に変化させた実験を行い音響放射圧モデルの正当性をより確かなものとした。
またこの新しい駆動力である音響放射圧を用いて自由に結晶表面を変形させて、異方的表面の高速ダイナミクスを調べた。新しく購入した高速度カメラで直接界面の高速運動の様子を可視化することが可能となった。ファセット近傍の微斜面では超音波照射すると、円形の平らな表面を持つファセットが結晶化した盛りあがりの上面に出現した。これはラフな界面に照射した場合には決して見られなかった異方的運動である。超音波を切った後の界面の緩和過程も特異なものとなった。超音波を止めると、まずファセットが非常に速く消滅した(1msec後)。その後に残された針状にとがった構造はすぐには消滅せず、非常にゆっくりと緩和する様子が見られた(数100msec)。このような針状の構造は表面エネルギーが大きいにもかかわらず、なぜ急速に消滅せずに安定に長時間観測出来たのかは分かっていない。この過程で結晶表面は最大1m/secという高速で移動していることから、超流動流や量子渦がこの構造の安定化に関わっているのではと考えている。

研究成果

• [文献書誌] S.Kimura, F.Ogawara, Y.Suzuki, R.Nomura^*, Y.Okuda: "Solid-liquid Interface Motion of ^4He in an Acoustic Field"J.Low Temp.Phys.. 134. 157-162 (2004)
• [文献書誌] Y.Suzuki, S.Kimura, M.Maekawa, M.Ueno, R.Nomura^*, Y.Okuda, S.Burmistroy: "Melting and Growth of Solid ^4He by Ultrasound"Physica B. 329-333. 364-365 (2003)
• [文献書誌] R.Nomura, Y.Suzuki, S.Kimura, Y.Okuda: "Interface Motion and Nucleation of Solid Helium-4 Induced by A coustic Waves"Phys.Rev.Lett.. 90. 075031 (2003)