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2017 年度 実績報告書

超伝導渦糸系における新規非平衡現象と非平衡相転移

研究課題

研究課題/領域番号 17H02919
研究機関東京工業大学

研究代表者

大熊 哲  東京工業大学, 理学院, 教授 (50194105)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード渦糸 / 非平衡相転移 / 動的秩序化 / ディピニング転移 / 可逆不可逆転移 / 相分離 / 走査トンネル分光 / アモルファス超伝導膜
研究実績の概要

平成29年度は低速駆動された渦糸系の新奇非平衡現象の探究に焦点をあてた以下の2つの研究を進めた。
(1)動的秩序化と無秩序化に伴う渦糸配置の変化: ランダムなピン止めサイトをもつ基板上で, 多くの渦糸がピン止めされた乱れた初期配置を準備し交流駆動力を印加すると, 渦糸は時間と共に次の衝突を避ける配置に自己組織化し秩序ある終配置へと向かう。これを動的秩序化と呼ぶ。これに対し, 多くの渦糸がピン止めからはずれた秩序ある初期配置に小さい直流の駆動力を印加すると, 渦糸が徐々にピン止めに捉えられ, 乱れたプラスチックフロー状態へと向かう。これを動的無秩序化と呼ぶ。我々が開発した過渡電圧の入力と読み出しの2段階測定手法を用いることにより, 動的秩序化の過渡状態では渦糸は乱れた領域(DR)と秩序的領域(OR)に2相分離し, 時間と共にORの割合が増大し, 定常状態ではすべてがORになることを見出した。ところが交流に小さい直流を重畳させると動的秩序化は抑制され, ちょうど直流の大きさが交流振幅と一致するとき動的秩序化は消失した。これは動的秩序化が起こるためには, 渦糸が引き返す運動が必要であることを意味する。
(2) 非平衡ディピニング転移: これまで我々は, 定常状態がムービング相となる領域において, 動的無秩序化に伴う臨界緩和を, 直流駆動力をパラメタとして観測し, 非平衡ディピニング転移の存在を初めて実証した。本研究では定常状態がピン止め相となる低駆動力領域において, 臨界現象の観測を試みた。その結果, ムービング相と同様の臨界現象を観測した。さらに交流振幅あるいは渦糸密度をパラメタとしても同様の臨界現象を観測した。これらの結果は非平衡ディピニング転移のさらなる証拠となる。一方, 直流駆動力印加直後の早い時間領域に, ディピニング転移とは異なる過渡現象が現れることを見出した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

(1) 交流駆動力に小さい直流を重畳させることにより, 動的秩序化を制御して抑制することに初めて成功した。本研究で見出された, 直流駆動力の増大と共に動的秩序化が抑制されるという実験事実は, ランダムポテンシャル中を引き返す運動が秩序化をもたらしていることを意味する。そして, ちょうど直流と交流振幅が一致するとき, すなわち, 引き返す運動が完全に消失するとき動的秩序化が消失するという事実もこの描像を指示する。ここで得られた実験結果は, 超伝導渦糸系に限らず, 乱れた初期配置をもつ多粒子系に普遍的な現象と考えられ, 他の分野に対して大きな波及性をもつ。例えば, 希薄なコロイド粒子系や高密度のジャミング粒子系における同様の研究を促すものと期待される。この研究の発展として, 渦糸がどのような空間配置をとっているかが, つぎの興味ある基本的問題である。
(2) 直流駆動力をパラメタとして, 定常状態がピン止め相とムービング相となる両相において, ディピニング転移の臨界現象を観測したこと, さらに交流振幅や渦糸密度をパラメタとしても同様の臨界現象を観測したことは, 非平衡ディピニング転移の普遍性を示す新たな証拠となる。直流のディピニング転移点の両側での臨界現象の存在は理論的には予想されていたが, 実験的検証が得られたのは本研究が初めてである。これに対し, 交流振幅や渦糸密度に対する臨界現象の存在は, 実験だけでなく理論的にも考えられてこなかった。さらに, 直流駆動力印加直後の早い時間域にディピニング転移とは異なる過渡現象を発見したことは, 新たな非平衡相転移の存在を予感させるものである。これらは当初の計画を超える成果といえる。

今後の研究の推進方策

平成30年度は29年度の研究を発展させ, 巨視的スケールにおける電圧の過渡現象測定に加え, 我々が並行して開発を進めてきた走査トンネル分光顕微鏡内に輸送測定用の回路を導入した装置を用いて, 微視的スケールにおける渦糸運動の局所実時間測定も行う。
(1)動的秩序化と無秩序化の競合現象とそれに伴う渦糸配置の変化の解明:
平成29年度には交流に小さい直流を重畳させると動的秩序化は抑制され, 直流の大きさが交流振幅と一致するとき動的秩序化が消失することを見出した。これらの終状態で, 渦糸がどのような配置をとっているかは定性的にも非自明な興味ある基本問題である。そこで平成30年度は, まず, 我々が開発した2段階の電圧の過渡現象測定によって, 定常状態で凍結させた渦糸配置の巨視的スケールの情報を得ることを試みる。つぎに, 走査トンネル顕微鏡の探針を固定した状態で, 高速のトンネル分光を行うことにより, 探針の直下を通過する渦糸の運動の実時間情報を取得する。これにより, 輸送測定から得られる情報と相補的な渦糸の運動に関する微視的情報を得ることを目指す。
(2) 新たな動的相転移の探究:
平成29年度には直流駆動力印加直後の早い時間領域に, ディピニング転移の過渡現象とは異なる新しい過渡現象が潜んでいることを見出した。そこで, 30年度はその物理的起源を明らかにして行く。そのため, これまでの電圧分解能を重視したスペクトラムアナライザーを用いた測定から, 高い時間分解能を有するオシロスコープ(購入物品)を用いた測定にシフトする。こうして, 早い時間帯の緩和時間を精密に測定することによって, 新たな臨界現象・非平衡相転移の存在を探究する。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 8件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Nonequilibrium depinning transition of ac driven vortices with random pinning2017

    • 著者名/発表者名
      Kawamura Y、Moriya S、Ienaga K、Kaneko S、Okuma S
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 19 ページ: 093001(1~8)

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa819d

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Competition between dynamic ordering and disordering for vortices driven by superimposed ac and dc forces2018

    • 著者名/発表者名
      ドブローカミハイ, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会 2018年3月22日-25日, 東京理科大学野田キャンパス
  • [学会発表] 直流駆動力増加に伴う渦糸フロー構造の変化2018

    • 著者名/発表者名
      家永紘一郎, ドブローカミハイ, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会 2018年3月22日-25日, 東京理科大学野田キャンパス
  • [学会発表] 直流駆動された渦糸系のブロッキング現象II2018

    • 著者名/発表者名
      嶺村貴秀, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会 2018年3月22日-25日, 東京理科大学野田キャンパス
  • [学会発表] 直流駆動の動的秩序化に伴う渦糸配置の時間変化2018

    • 著者名/発表者名
      前垣内舜, ドブローカミハイ, 嶺村貴秀, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会 2018年3月22日-25日, 東京理科大学野田キャンパス
  • [学会発表] 走査トンネル分光法を用いた渦糸運動の可視化2018

    • 著者名/発表者名
      小川貴史, 加藤宏志朗, 金子真一, 家永紘一郎, 坂田英明, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会 2018年3月22日-25日, 東京理科大学野田キャンパス
  • [学会発表] パルス電流を用いたFeSe単結晶の渦糸固体相における輸送現象測定2018

    • 著者名/発表者名
      高石浩行, 家永紘一郎, 金子真一, 笠原成, 松田祐司, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会 2018年3月22日-25日, 東京理科大学野田キャンパス
  • [学会発表] Detecting changes in the vortex configuration associated with dynamic ordering2017

    • 著者名/発表者名
      M. Dobroka, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of Vortex Motion Using Scanning Tunneling Spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      K. Kato, T. Ogawa, S. Kaneko, K. Ienaga, H. Sakata, S. Okuma
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Estimation of the size of the pinning potential from ac current-voltage characteristics2017

    • 著者名/発表者名
      S. Moriya, Y. Kawamura, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Configuration of vortices in dc flow interacting with random pinning2017

    • 著者名/発表者名
      K. Ienaga, M. Dobroka, S. Kaneko, S. Okuma
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Random organization and reversible-irreversible transition of vortices in tilted field2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Shirahata, K. Ienaga, M. Dobroka, S. Kaneko, S. Okuma
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Blocking phenomenon in a vortex system2017

    • 著者名/発表者名
      T. Minemura, K. Ienaga, T. Ogawa, T. Arai, S. Maegochi, S. Kaneko, S. Okuma
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Partial reordering of dc plastic flow by superimposing ac drive2017

    • 著者名/発表者名
      T. Ogawa, M. Dobroka, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of Superconducting gap and Vortex lattice in the transition metal2017

    • 著者名/発表者名
      S. Demura, R. Ishio, Y. Fujisawa, T. Ogawa, S. Kaneko, S. Okuma, H. Sakata
    • 学会等名
      30th International Symposium on Superconductivity (ISS'17), Tokyo, 13-15 December 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] 直流駆動された渦糸系のブロッキング現象2017

    • 著者名/発表者名
      嶺村貴秀, 家永紘一郎, 小川貴史, 新井巧己, 前垣内舜, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会 2017年9月21日-24日, 岩手大学
  • [学会発表] 交流駆動力重畳による直流プラスチックフローの部分的秩序化2017

    • 著者名/発表者名
      家永紘一郎, ドブローカミハイ, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会 2017年9月21日-24日, 岩手大学
  • [学会発表] Evolution of the vortex configuration associated with dynamic ordering and disordering2017

    • 著者名/発表者名
      ドブローカ・ミハイ, 家永 紘一郎, 金子 真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会 2017年9月21日-24日, 岩手大学
  • [学会発表] パルス電流を用いたFeSe単結晶の渦糸フロー測定2017

    • 著者名/発表者名
      高石浩行, 家永紘一郎, 金子真一, 笠原成, 松田祐司, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会 2017年9月21日-24日, 岩手大学
  • [学会発表] 走査トンネル分光法を用いた渦糸運動の観察III2017

    • 著者名/発表者名
      加藤宏志朗, 金子真一, 家永紘一郎, 坂田英明, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会 2017年9月21日-24日, 岩手大学
  • [学会発表] 渦糸系のランダム組織化に及ぼす異方性の効果II2017

    • 著者名/発表者名
      白幡祐大,ドブローカミハイ,家永紘一郎,金子真一,大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会 2017年9月21日-24日, 岩手大学
  • [学会発表] 動的秩序化と無秩序化に伴う渦糸配置の変化2017

    • 著者名/発表者名
      大熊 哲, M. Dobroka, 家永紘一郎, 河村泰樹, 金子真一
    • 学会等名
      第25回渦糸物理国内会議 2017年11月27-29日, 沖縄科学技術大学院大学(OIST)
  • [学会発表] 交流駆動された渦糸系への直流重畳による動的秩序化の抑制2017

    • 著者名/発表者名
      家永紘一郎, M. Dobroka, 河村泰樹, 金子真一, 大熊 哲
    • 学会等名
      第25回渦糸物理国内会議 2017年11月27-29日, 沖縄科学技術大学院大学(OIST)
  • [学会発表] 渦糸系におけるブロッキング現象2017

    • 著者名/発表者名
      嶺村貴秀, 家永紘一郎, 小川貴史, 前垣内舜, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      第25回渦糸物理国内会議 2017年11月27-29日, 沖縄科学技術大学院大学(OIST)
  • [備考] 東京工業大学理学院物理学系大熊研究室

    • URL

      http://www.rcltp.titech.ac.jp/~okumalab/

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公開日: 2019-12-27  

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