回転下における超流動3He 1/14.テーマ 2003.12.1 物質系輪講1A 物質系専攻 36114 片岡 祐己 久保田研究室 片岡 祐己 久保田研究室 仕様 ・最高回転速度 ±2π radian/s　 ・最低到達温度 300μK　 ・熱流入 < 8 nW (静止下,回転下) ・温度安定性 ～1μK/hour

2/14.発表の概要 2003.12.1 物質系輪講1A ・超流動3He ・超流動3He-Aの織目構造 ・超流動3He-A のNMR 　ヘルシンキ工科大 　　　　　 3He-Aで4種類の渦を発見 　物性研究所久保田研究室・京大・阪市大・福大 　　　　　　Mermin-Hoの織目構造と回転との相互作用

3/14.3He 2003.12.1 物質系輪講ⅠA ・3He原子 核スピン1/2のフェルミ粒子 ・3He原子と電子の相違点 http://boojum.hut.fi/research/theory/helium.html 0.001 0.01 0.1 1 10 100 Temperature (K) pressure (Mpa) 1 2 3 ・3He原子と電子の相違点 質量　密度　純度 TF ~ 1K TF ~ 104K ・ 3He原子と電子のクーパー対 3He 　p 波スピン三重項 ( L=1 , S=1 ) 従来の超伝導体 　s 波スピン一重項 ( L=0 , S=0 ) 高温超伝導体 　d 波 ?　 Sr2RuO4 , UPt3 　p 波スピン三重項 ( L=1 , S=1 )

4/14.超流動3He 2003.12.1 物質系輪講ⅠA 3Heクーパー対 ・3He原子 核スピン1/2のフェルミ粒子 http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/ult/ ・3He原子　 核スピン1/2のフェルミ粒子 ⇒　電子と同様に3He原子自体が対凝縮 ⇒　原子間に強い近距離斥力 ・3Heクーパー対 L=1 S=1 P波スピン三重項 ⇒　異方的凝縮体 ・超流動3He 　　 9個(18個)の内部自由度 ⇒　複数の凝縮相 ( 3He-A ,3He-B ) ⇒　凝縮相自体にも内部自由度が残る 　　　　　　　　　3Heの相図 http://boojum.hut.fi/research/theory/he3.html 0 1 2 3 Temperature (mK) 4 3 2 1 0 Pressure (MPa)

5/14.超流動3Heの秩序変数 2003.12.1 物質系輪講ⅠA ・相転移を記述 秩序変数 ・超流動3He-A の秩序変数 ・秩序変数 　　 秩序変数 ・超流動3He-A の秩序変数 ・秩序変数 Tc以下で現れる ・秩序変数の例 超伝導体のエネルギーギャップ⊿ 強磁性体 の自発磁化M ・超流動3Heの秩序変数 p波スピン三重項(Lz=1,0,-1 Sz=1,0,-1) 3次元正方行列 　　9個の変数 超流動3He-Aの秩序変数の内部自由度 秩序変数が空間変化が可能　　　　→　内部自由度を持つ凝縮体

6/14.超流動3He-Aの秩序変数 の配向 2003.12.1 物質系輪講ⅠA ( fd + fh + fg ) H

7/14.超流動3He-Aの織目構造 2003.12.1 物質系輪講ⅠA 壁の近傍の織目構造 3He-Aの織目構造 ⇔ 狭い平行平板中の織目構造 実験空間の大きさ , 幾何学的構造で織目構造を制御できる

8/14.超流動3He-AのNMR 2003.12.1　物質系輪講ⅠA　 NMR ⇒

9/14.回転超流動 2003.12.1 物質系輪講ⅠA ・超流動3He-A ・回転超流動4He 円筒容器中 渦の中心で超流動速度場が発散 →　中心では常流動状態 秩序変数 l の空間変化により 　　　　超流動速度場の発散がなくなる 　　　　　　→　中心でも超流動状態 超流動4He →　芯(特異点)のある渦のみ 超流動3He-A →　芯(特異点)のない渦構造が可能

10/14.回転超流動3He-AのCU 2003.12.1 物質系輪講ⅠA ・CUV continuous dipole unlocked vortex 渦以外の部分からの寄与 0 5 10 15 　　　　⊿ｆ(kHz) NMR adsorbtion // 渦にによるNMRのサテライト http://boojum.hut.fi/~ethuneb/ NMRのサテライトの場所と強度は渦の構造や渦の本数の情報を含む R. Blaauwgeers, V. B. Eltsov, M. Krusius, J. J. Ruohio, R. Schanen and G. E. Volovik ; Nature 404 473 (2000)

11/14.回転超流動3He-Aの渦 2003.12.1 物質系輪講ⅠA ・理論的予想 渦の相図 各々の渦のNMRスペクトル ・実験結果 「それぞれの渦構造がサテライトの位置と強度の違いとして観測されている」 「超流動転移の条件(磁場,回転速度)の 違いで5種類の渦が生成されるであろう」

12/14.物性研究所1 2003.12.1 物質系輪講ⅠA 「何故制限された空間なのか？」 ・Mermin-Ho 織目構造 ・物性研究所 のヘルシンキ工科大の違い 　　　実験空間の大きさ 「Mermin-Ho 織目構造と回転の相互作用」 ・Mermin-Ho 織目構造 N. D. Mermin and Tin-Lun Ho; Phys. Rev. Lett. 36 594 (1976) ・ヘルシンキ工科大 直径5mm高さ30mmの円筒容器 直径 >> ξd (=0.01mm) →　壁の影響なし ・渦の一種(∵vs) ・狭い円筒容器中で静止下でも自発的に発生 ・自発的角運動量Lを持つ ・物性研究所 直径0.1mm高さ30mmの円筒容器束 直径 = 10ξd →　制限された空間 →　回転により他の渦が生成されず回転前からある織目構造の回転変化が見える 「回転の角速度と方向によって織目構造が変形するのでは？」

13/14.実験 ~物性研究所久保田研究室~ 2003.12.1 物質系輪講ⅠA ・超低温回転冷凍機 Pt-NMR温度計 直径　 0.1mm のセル 熱交換器 ↑核ステージに熱接触 ・実験空間 完全リモートコントロールシステム 測定装置も一緒に回す 測定装置の制御のためパソコンも一緒に回転させなければならない パソコンの制御は赤外LANを通じて、ネットワークから制御す完全リモートコントロールシステム エアーベアリング 振動なくスムーズに回転 ・実験セル 地球磁場キャンセルコイル 地球磁場中の回転による発熱を防ぐため地球磁場と逆方向の磁場を印加 渦が入らない状態

14/14.結果 ~物性研究所久保田研究室~ 2003.12.1 物質系輪講ⅠA NMR adsorption (arb.units) NMR adsorption (arb.units) ・回転角速度の変化によりNMRサテライトが変形 ・Ω//LとΩ//-Lでは回転速度対する NMRサテライトの変形の仕方が異なる 最近、我々の研究グループ(物性研,京大,阪市大,福大）ではこの解釈の妥当性を支持する方向で意見がまとまり、投稿の日が待たれている 「回転に対するMermin-Ho織目構造の非対称性」 実験的に実証したのは世界で始めて

壁の近傍の織目構造