| 研究課題/領域番号 |
16K05455
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| 研究機関 | 大阪市立大学 |
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研究代表者 |
小原 顕 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 講師 (50347481)
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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 | 超流動ヘリウム３ / 量子液体 / 制限空間ヘリウム / 低温技術 / 低温増幅器 |
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| 研究実績の概要 |
本実験は、毛細管中の超流動3Heの新奇相をNMRを用いて探索するものである。毛細管としてはフォトニック結晶ファイバ(PCF)中の微細な円筒を利用する。
（１）まずは最も単純な手法によりPCF中の3He核の信号が観測できるか、予備実験を行った。具体的には、PCFに直接センサコイルを巻きつけ、リファレンス用の1Hを含む樹脂とともに希釈冷凍機温度 (最低温度18mK)において信号探索を行っただけである。その結果、1H のNMR信号は容易に観測できたが、3HeのNMR信号は観測できないことが解った。1H の信号強度とNMRコイル中の1Hと3He 核の存在比、および過去の太い円筒中のNMR実験の実績から類推すると、検出感度を最低でも４桁向上させねばならない。感度向上のためには、検出コイル中の毛細管の数を増やすこと、コイルを含む回路のQを向上させること、同軸ケーブルの高周波ロスを軽減すること、低温アンプで信号を増幅させることが必要であるという結論に至った。
（２）（１）に付随して、NMR用を前提とした汎用の低温アンプを作成し、動作を確認した。このアンプは液体He中で動作し、100k～2MHzで倍程度の40dB 程度の増幅率を有し、その消費電力は冷凍機の運転に支障のない0.4 mW に抑えることに成功した。また、入力インピーダンスは1MΩであり、NMR信号の劣化を極限まで小さく増幅できることが期待される。また、低温に前置増幅器を置くことで後段にいたる同軸ケーブルにおけるノイズのピックアップと高周波ロスを小さく抑えることができるため、実質的に検出感度を２桁以上向上させることができる計算になる。この低温増幅器の詳細は国際的にも注目され、国際会議QFS2016および日本物理学会において発表され、またその成果は、Journal of Low Temp. Phys. 誌に掲載が決まった。
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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
まず、我々が採用したPCF中をSEMを用いて直接観測し、直径2.6um の直線状の穴が60個開いていることを確認した。この直径は理論が予測する出現範囲条件にぎりぎり入っている。低温で構造を保てることも確認できた。容器の確定と耐冷却性能が確保できたのが第１の成果である。
次に、PCF１本に液体3Heを閉じ込め希釈冷凍機温度まで冷却し、NMR実験を行った。その結果、1HのNMR信号は確認されたものの、3Heの信号は確認できなかった。センサコイル中の3He原子核と1H原子核の濃度の比較、およびより太い円筒容器を用いた過去の実験との類推から、現状のセットアップでは楽観的に見積もっても４～５桁感度が足りないことが解った。これは当初計画にはなかったことで、今後の装置改良の定量的な目安が得られた事になり、実験進展のための重要な一歩であるといえる。
また、当初予定の通り、大幅な感度向上を目指して市販のエンハンスメント型PHEMT素子を用いた低温アンプを作成し、性能評価を行った。このアンプは100k～3MHz のNMR周波数帯において１００倍以上の増幅率を有する。汎用性も高いため、低温物理学の国際会議QFS2016で発表された際、世界的にも注目を集め、また、JLTP誌にもその詳細に関する論文の掲載が確定した。低温アンプは増幅率をもたせるだけでなく、入力インピーダンスが大きいため、NMRセンサコイルの回路系のQを大幅に改善させることができ、また低温部から室温部に至るケーブルでのロスおよびピックアップノイズを大幅に小さくすることが可能となる。これが、第３の成果である。
また、理論セミナーを開催し、本計画の重要性を確認し、また、最新の理論を適用すると、従来の予想よりもより豊かな相が実現されている可能性があることが解った。
以上のように、本年度の進捗状況はおよそ当初予定と同程度であるといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
前項で述べたとおり、NMRセンサコイル中にある3He核スピンの絶対量が非常に小さいため、検出のためには予備実験のセットアップに対して４～５桁の感度向上が必要である。ただし、その中で２桁程度はすでに低温アンプを用い、ノイズが低い低温部で増幅してから室温部に送信することにより達成できるはずである。従って本実験の成果は残りの２～３桁をどのように改善できるかという技術的な問題の解決に全てがかかっている。
まずは、センサコイルからアンプまでの回路系のQ値の改善を行う。現状のQ値は２程度であり、その主な原因はセンサーからアンプまでの同軸ケーブルの抵抗成分による減衰である。これは、そもそも低温アンプを用いることで削減できるはずだが、加えて同軸ケーブルを超伝導体に交換することでさらに改善できる。また、低温部アンプから室温部に至る信号線も誘電体を用いないケーブルに変更することで高周波ロスを低減させ、また、背景信号の温度変化の削減させることで信号劣化を改善できる。これにより、１桁以上の感度改善が見込まれる。
次に、信号強度はセンサコイル中に含まれるスピンの数（充填率）に直接比例するので、コイルを可能な限り毛細管に接近させる。我々が用いるPCFは外径0.35mmであるが、中の毛細管(φ2.6um)は10um程度の間隔で50umの円内に三角格子状に配列している。大多数の空間がシリカで占められているから、単純にPCFを束ねただけでは充填率を向上できない。そこで、今後はPCF外周部のシリカを化学エッチングしたうえで百本程度積層したい。これで、充填率を１～２桁向上させることができるだろう。また、この手法ではコイルの面積も大きく取ることができるため、回路系のQも数倍向上させることができる計算になる。
テストはまず希釈冷凍機で行い、信号が検出され次第、大型の断熱消磁冷凍機を用いて本実験を行う予定である。
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