| 研究課題/領域番号 |
19K03734
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| 研究機関 | 室蘭工業大学 |
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研究代表者 |
柴山 義行 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20327688)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 量子渦 / 渦輪 / 超流動ヘリウム / 低温物理学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，超流動ヘリウム4中に数，形状，運動方向を制御した量子渦輪を発生できる量子渦輪発生器を開発し，実験的に量子渦のダイナミクスを解明する研究に対して新たな研究手段を実現することである．内径0.1 mmのノズルからパルス的に超流動ヘリウムを噴出させて超流動中に量子渦輪を発生させることで，発生させる渦輪のサイズ，数，運動方向の3つを制御する．超流動ヘリウムのパルス的な噴出のための駆動機構には圧電振動板を用いる．
前年度までの研究により，ヘルムホルツ共鳴を利用して圧電振動板を駆動できることを見出したが，これまで用いてきたノズルでは内径が0.3 mm以下になるとヘルムホルツ共鳴が抑制され，量子渦輪の発生に充分な噴出速度を得られないことが明らかとなった．2021年度ではノズル形状の設計を変更し，より細いノズルに対してヘルムホルツ共鳴を実現できる条件の探索を行った．また研究室において超流動ヘリウム4を実現する環境を実現するため，ヘリウム4減圧型クライオスタットとそのガスハンドリングシステムの製作に取り組んだ．
設計の異なる3種のノズルを用意しそれぞれのノズルにおけるヘルムホルツ共鳴の共鳴周波数とQ値を測定したところ，(1) オリフィスをノズル出口に設置し，(2) ノズル長をノズル内径程度以下に抑えることで，内径0.3 mm以下のノズルでも十分ヘルムホルツ共鳴を励起できることを明らかにした．ヘリウム4減圧型クライオスタットの製作は新型コロナウイルス感染症のため所属大学の金属工作室が閉鎖となったため，前年度末に他予算で研究室に整備したCNC旋盤，CNCフライス盤を用いて行い．クライオスタットとガスハンドリングシステムを整備した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
2021年度の研究計画では，
(a) 量子渦輪発生器に用いるノズルのデザインを検討し，内径0.3 mm以下のノズルでも充分ヘルムホルツ共鳴を励起できる条件を探る，
(b) 液体ヘリウム4の排気冷却による最低温度1.5 Kまでのクライオスタットとガスハンドリングシステムの製作，
を計画していた．(a)に関しては研究実績の概要で述べたとおり，オリフィスをノズル出口に設置し，ノズル長をノズル内径程度以下に抑えることで，内径0.3 mm以下のノズルでも十分ヘルムホルツ共鳴を励起できることを明らかにした．(b)に関しても2020年度末に他予算で研究室にCNC旋盤とCNCフライス盤を整備し．クライオスタットとガスハンドリングシステムを整備することができた．しかし液体ヘリウムの納期の長期化と価格高騰のため2021年度内に最低到達温度の確認を行うことが困難となった．
当初計画の一部を実施できなかったが一定の成果を得たことから，やや遅れている，と判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度に整備したヘリウム4減圧型クライオスタットの最低到達温度を測定し，本研究室の環境で超流動ヘリウム4を実現できることの確認を行う．また2021年度に行ったヘルムホルツ共鳴のノズル形状依存性の測定から，内径0.3 mm程度のノズルでも充分ヘルムホルツ共鳴を励起できる条件を見出した．今後はこの条件を基に量子渦輪発生器を試作し量子渦輪発生条件の探索に取り組む．8月に札幌で開催される第29回低温物理国際会議(LT29)でこれまでの研究成果の発表を行う．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2021年度に液体ヘリウム4の排気冷却による最低温度1.5 Kまでのクライオスタットの製作を行った．当初予定では最低到達温度の確認まで行う予定であった．しかし，液体ヘリウムの納期の長期化及び価格高騰のため2021年度内に計画的に液体ヘリウムを購入することが困難となり，整備した最低到達温度の確認を行うことが不可能となったそこで研究計画を変更し，この次年度使用額と翌年度分として請求した助成金とを合わせて，液体ヘリウムを調達し，整備したクライオスタットの最低到達温度を測定する計画である．
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