2017 Fiscal Year Annual Research Report
超流動ヘリウム流れ場における量子渦の運動状態の研究
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15H03694
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
矢野 英雄 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (70231652)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 低温物性 / 流体 / 超流動ヘリウム / 量子渦 / 量子乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
代表的な量子凝縮相である超流動ヘリウム（4He）の渦の量子化の発見から半世紀がたつが、量子渦の動的な性質はいまだ明らかになっていない。それは渦芯半径が0.1 nmと大変細く、渦の運動を観測する手段が少ないためである。我々は、超流動ヘリウムの量子渦が境界（壁）に付着し、境界の振動に伴って量子渦が運動することを発見した。この量子渦のユニークな性質を利用し、渦の運動状態を実験的に明らかにすることを目的としている。これまでの主な研究実績は以下のとおりである。
１．振動ワイヤーによる量子乱流生成装置と量子渦検出装置を用いて、振動流れ場によって発生する量子渦の運動状態を調べた。ワイヤーに直径２μｍの超伝導極微細線（NbTi）を用いることで、振動流による量子渦発生条件と、それに伴って失うエネルギー損失を精密に測定した。
２．ワイヤーの振動方向に放出される量子渦の運動について、渦の発生から検出までの時間を測定し、ある時間が立つとその統計性が指数分布にしたがうことを明らかにした。この結果は、渦の検出がポアソン過程であることを示している。すなわち、渦の放出はランダムであるが、その平均は一定であり、定常的な渦放出が起こることがわかる。
３．検出する渦輪サイズを変化させて２と同様の測定を行い、その統計性は２と同様の指数分布にしたがうことを明らかにした。しかしその平均検出頻度は、渦輪サイズが増加するにつれて、減少する傾向を見出した。
４．ワイヤーの振動に垂直な方向への渦放出の統計分布を測定し、振動方向とは異なり、２つの指数分布にしたがうことを明らかにした。この結果は、放出される渦輪の平均頻度が、ある時間が立つと増加することを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画どおり実験装置の開発・製作を行い、次の成果を得た。
実績１，２については、渦の生成器と検出器について超流動ヘリウム中で動作テストを行い、計画どおりの結果を得た。さらに渦の生成器から放出される量子渦を、検出器で検出することに成功した。またこれらの組合せにより放出された量子渦運動の統計性に関する実験を行い、研究成果を日本物理学会などで報告した。
実績３，４は、実績１と２の研究を進めたことによって得られた成果で、振動ワイヤーによって生成される量子渦の構造研究の基礎となる新たな発見である。
これらの研究成果を国際会議や日本物理学会などで報告した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究から、振動方向に置いた検出器での渦の検出イベントは、指数分布にしたがうポアソン過程であることを明らかにした。したがって渦の放出はランダムに起こっていること、また平均の放出頻度は一定であることを示している。この研究成果を踏まえ、次の研究を行う。
１．ワイヤーの振動方向に放出される渦輪について、検出する渦輪サイズを変化させ、平均検出頻度を測定する。
２．平均検出頻度は渦輪の放出頻度に比例するので、１の測定から、量子乱流を構成する渦の構造を推定することができる。放出渦輪サイズは乱流中の渦間距離に対応するので、その放出頻度分布は、乱流を構成する渦の渦間距離の分布に対応する。１の測定を解析することにより、量子乱流を構成する渦のフラクタル構造を明らかにすることができる。
３．ワイヤーの垂直方向へ放出される渦輪について、同様の測定を行う。これまでの研究から、垂直方向での渦の検出は、振動方向のそれとは異なり、２つの指数分布にしたがうことを明らかにした。この結果は、放出される渦輪の平均頻度が、ある時間が立つと増加することを示している。この研究成果を踏まえ、検出する渦輪サイズの、検出分布依存性を測定する。
４．３の測定から、放出される渦輪の特徴を明らかにするとともに、乱流を構成する渦構造とその運動を検討する。渦輪放出の異方性は、振動流れ場の方向によって生成・構成される渦構造に異方性があることを示している。その異方的な構造を、２と同様の解析を行うことにより、フラクタル構造の観点から解明する。以上の研究により、超流動ヘリウムの振動する流れ場によって運動する渦の状態を明らかにする。
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Research Products
(8 results)
