| 研究課題/領域番号 |
16H04023
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
中堂 博之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (30455282)
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| 研究分担者 |
家田 淳一 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (20463797)
小野 正雄 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (50370375)
前川 禎通 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, センター長 (60005973)
松尾 衛 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 任期付研究員 (80581090)
高橋 遼 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 博士研究員 (30782023)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | スピントロにクス |
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| 研究実績の概要 |
本年度は、当初計画に従ってスピン流注入による角運動量移行に伴う流体駆動の実験系を構築し、測定を行った。実験系は２つの液体溜を白金管でつなぎ液体水銀で満たした装置と、流体の運動を液体溜の液面高さの変化として精密に測定するためのレーザー変位計からなる。これらをグローブボックス内に設置することで気流の影響を排除し、アクティブ除振台にグローブボックスを固定することで外部振動を取り除いた。白金管に電流を流すことで白金中のスピンホール効果を通じて管内部の液体水銀にスピン流が注入される。白金管の中央に設けたゲートの開閉によって水銀の流れの有無を切り替えた結果、Hgが流れる場合のみ電流方向に依存した有意な液面変動が生じることが分かった。この結果は、Pt管のスピンホール効果でHgに注入されたスピン流が角運動量移行によって流体運動を引き起こしたことを強く示唆している。
また、Pt管を用いた実験に困難が生じた場合の代替案であるスピンポンプ法によるスピン流注入を使った流体駆動の予備実験も行った。スピンポンプ法で一般的に用いられるイットリウム鉄ガーネット（YIG）基板に幅50μmの溝を形成したガラス基板を圧着してマイクロ流路を形成し、そこに封入した水銀にスピンポンプを行った結果、磁化の向きに応じて水銀の流速が±30%程度変化する結果が得られ、この実験系でもスピン流注入による流体駆動の測定が可能であることが確認できた。
理論面では、スピン注入される液体金属の従う流体方程式を導いた。ナビエストークス方程式で表されるような従来の流体系では運動量緩和のみを考慮するが、スピン注入される液体金属では運動量緩和と同時に角運動量緩和も考慮する。こうして拡張された流体方程式を用いて細管に封入した液体金属に管壁からスピン注入することで得られる流速分布の計算を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
スピンホール効果を用いて液体水銀に対してスピンを注入する研究では、当初計画通り、実験系を構築し実験を開始することができた。予備実験において問題となっていた実験室内の対流による水銀液面の変位はグローブボックス内に装置系を設置することで押さえることができ、また、実験室内の機械的振動から生じる変位のノイズも除振台を導入することにより押さえることができた。白金管に電流を印加すると液面が変位し、また、逆向きに電流を印加すると変位が逆方向になることが確認できた。この振る舞いが白金から注入されるスピン流由来であることを裏付けるための実験を現在実施している。そのために白金管中央にゲートを設置し、このゲートが開いている時にのみ電流印加によって液面が変位することを確認する実験を行った。その結果、開状態のときのみ変位を確認することができた。
スピンポンプ法によるスピン注入流体駆動の実験にも着手することができた。実験系を構築し、マイクロ流路に加圧によって液体水銀を注入することができたが、マイクロ流路内壁のラフネスや付着物によって水銀の変位はピンニングされ非線形になることがわかった。そのため、加圧状態で水銀が一定速度で変位している状態でスピンポンプを行い、変位速度の磁場方向依存性を測定した。その結果、磁化の向きに応じてHgの流速が±30%程度変化する結果が得られ、この実験系でもスピン流注入による流体駆動の測定が可能であることが確認できた。
また、理論面では、本研究のテーマであるスピン注入流体駆動の理論と並行して、流体駆動によるスピン流生成の理論の詳細を明らかにし包括的な理解に向け着実に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度においては、本年度構築した実験系に若干の改良を加えた上で、管径と管の材質を変化させた系統的実験を行う。現在まででも安定した測定が可能になっているものの、これまでの測定からレーザー変位計のさらなるノイズ低減と流路の安定化の指針が得られた。レーザー変位計のアラインメントによって変位の出力が不安定になることを突き止めたので、レーザー変位計をゴニオメーター上に設置し、最適条件に微調整できる実験系へと改良し現状以上の高感度測定を実現する。また、電流印加による発熱の影響を可能な限り除去するため、電流反転の電流値を高精度で同じ値にする回路を構築する。白金管に貼り付ける電極も現状では銅製であるが、ペルチェ効果による温度の変動を押さえるため、白金製に更新する。これらの改良を加えた上で流体運動がスピン流に起因するものであることを明らかにするため、Ptに比べてスピンホール効果の小さいTi管で同様の実験をする。
また、マイクロ流路を用いた実験においては圧縮性の気体によって水銀を加圧していたため、水銀の初期変位を制御できず、ピンニングサイトに水銀が留まってしまう問題が生じている。今後はこの問題を回避するため、非圧縮性の液体による加圧を試みる。
スピン注入流体駆動の微視的理論構築に注力する。前年度に導出した流体方程式には注入されたスピン角運動量から流体素片の力学的角運動量への変換効率を現象論的パラメタによって与えている。非平衡グリーン関数法を用いた微視的理論を構築することによって、この変換効率の物質依存性の詳細を解明し、流体運動を高効率に制御するための実験系構築の指針を与える。
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