回転超流動3Heの基礎研究 講演題目 片岡 祐己 久保田 研究室 ～バルク及び平行平板間制限空間中の3He～

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1 回転超流動3Heの基礎研究 講演題目 36114 片岡 祐己 久保田 研究室 ～バルク及び平行平板間制限空間中の3He～
渦間に斥力が働き、これとマグナス力との競合で渦は格子を組む． 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　1/13

2 超流動3He 帯磁率 液体3Heの相図（T< 3 mK） 主な実験の舞台 圧力 3 MPa（ξ0 =10nm）
温度 2 mK (T/Tc = 0.8) 超流動3He-A 超流動3He-A （高温高圧側） 超流動3He-B （低温側） 常流動3He TF ~ 1 K 超流動3Heのクーパー対 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　2/13

3 超流動3He-Aの特徴 磁性 帯磁率 核磁気共鳴周波数のずれ 速度場 コヒーレンス長 内部自由度のある異方的超流動体
秩序変数の空間変化 ｐ波スピン三重項クーパー対 内部自由度のある異方的超流動体 異方的 内部自由度が顕著になる条件 秩序変数は 軌道とスピンの異方軸を表わす 二つの単位ベクトル である 核スピン間に弱いスピン軌道相互作用 境界 磁場 回転 境界＋磁場 → 織目構造 織目構造＋回転 → 多彩な量子渦 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　3/13

4 超流動3He-Aの秩序変数 ９成分複素秩序変数 波数空間 実空間 （軌道状態） （スピン状態） 秩序変数(3×3行列)の空間変化は
ベクトル場　と　の局所的配向で 記述可能 実空間 　（軌道状態） クーパー対の軌道角運動量の方向の単位ベクトル 　（スピン状態） クーパー対のスピンに垂直な方向の単位ベクトル （スピン波の進行方向の単位ベクトル） 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　4/13

5 超流動3He-Aの秩序変数の配向 自由空間中（バルク） 基底状態の配向 双極子双極子相互作用（バルク） 壁の近傍 実験空間による配向
壁との境界条件 磁場による配向 磁化の異方性 磁場中 その他 　の剛性 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　5/13

6 超流動3He-Aの秩序変数の空間変化 秩序変数の配向 壁の近傍 秩序変数の空間変化の 特徴的な物理量 特徴的な長さ 特徴的な磁場の大きさ
　特徴的な物理量 特徴的な長さ 特徴的な磁場の大きさ 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　6/13

7 超流動3He-Aの核磁気共鳴 自由空間中 核磁気共鳴はスピン状態 を検出 共鳴周波数のずれ 期待される核磁気共鳴吸収信号 薄い平板空間中
核磁気共鳴はスピン状態　を検出 共鳴周波数のずれ 実際の実験空間 半径1.56 mm>>ξD(= 0.01 mm) 期待される核磁気共鳴吸収信号 薄い平板空間中 実際の実験空間 間隔 mm ~ ξD(= 0.01 mm) 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　7/13

8 核磁気共鳴周波数のずれから見た超流動3Heの相変化
各相の核磁気共鳴周波数のずれ 常流動(Ｎ)相 超流動Ａ相 超流動Ｂ相 自由空間中 薄い平板空間中 冷却過程 冷却過程 A N B B A N 結論 ２つの異なる一様な織目構造を実現 →最も顕著に異方的超流動3He-Aの内部自由度が顔を出した例 B A N 加熱過程 加熱過程 薄い平板空間中の織目構造 自由空間中の織目構造 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　8/13

9 ~高速回転下（3rad/s<Ω<6.28rad/s）の渦~
回転超流動3He-A 自由空間中の回転超流動3He-A ~高速回転下（3rad/s<Ω<6.28rad/s）の渦~ 制限空間中（薄い平板空間中）の回転超流動3He-A ~循環の量子数が1/2の渦~ 今まではΩ<3rad/sまでしか研究されていない 循環 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　9/13

10 回転超流動3He-Aの核磁気共鳴 回転容器の中 核磁気共鳴から得られる情報 CUV 渦の詳細な構造 核磁気共鳴のみではわからない．
信号の位置→渦の構造 信号の強度→渦の数 渦の信号 渦以外の信号 渦の構造の理論的予測の一例 CUV continuous dipole unlocked vortex R. Blaauwgeers et al.; Nature (2000) 渦の詳細な構造 核磁気共鳴のみではわからない． 理論計算との対応が必要． 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　10/13

11 自由空間中の回転超流動3He-A① 超流動A相における加速・減速過程 測定条件 測定解析結果 解析方法 結論 同じ回転速度では加速過程より
渦の生成臨界回転速度が存在？ 解析方法 結論 同じ回転速度では加速過程より 減速過程の方が渦の数が多い 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　11/13

12 常流動相から超流動A相に相転移した時の履歴の違いが効くか？ 測定条件 測定解析結果
自由空間中の回転超流動3He-A② 常流動相から超流動A相に相転移した時の履歴の違いが効くか？ 測定条件 測定解析結果 実線　 Ω2/3 破線　 Ω 結論 超流動転移時の履歴（回転速度）の違いで渦が異なると期待される 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　12/13

13 まとめ 静止下の結果 回転による自由空間中（バルク）の渦状態の結果 自由空間中と制限空間中（薄い平板空間中）で 異なる一様な織目構造を実現
→内部自由度のある異方的超流動体 回転による自由空間中（バルク）の渦状態の結果 渦の生成消滅にヒステリシス 渦の生成臨界回転速度が存在？ 超流動転移時の履歴（回転速度）によって， 生成される渦が異なると期待される →Ω＝6.28rad/sという新奇な回転速度がもたらした 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　13/13

14 自由空間中の回転超流動3He③ 回転方向の違いによる差 測定解析結果 測定条件 加速過程 結論 回転方向による差は見られず 減速過程
○：Ω＞０ +：Ω＜０ 結論 回転方向による差は見られず 減速過程 物質系輪講ⅠB＠物質系講義室 1/12

15 3He原子と電子 電子 統計性 フェルミ粒子 3He原子 電荷 統計性 1.6e-19 C フェルミ粒子 質量 電荷 9.1e-31 kg
フェルミ温度 K 粒子間相互作用 長距離クーロン斥力 3He原子 統計性　 フェルミ粒子 電荷 0（中性） 質量 5e-27 kg フェルミ温度 1 K 粒子間相互作用 長距離ファンデルワールス引力 ＋短距離ハードコア斥力　　　 物質系輪講ⅠB＠物質系講義室 1/12

16 超流動3Heと金属超伝導 重い電子系の超伝導 例 PsOs4Sb12 超流動3He 金属超伝導 クーパー対 クーパー対 P波スピン3重項
コヒーレンス長 nm 対形成の起源 パラマグノン? 超流動転移温度 ~ K 金属超伝導 クーパー対 S波スピン1重項 コヒーレンス長 ~ 103 nm 対形成の起源 フォノン 超伝導転移温度 ~ K 重い電子系の超伝導 例　PsOs4Sb12 物質系輪講ⅠB＠物質系講義室 1/12

17 回転下で常流動相から超流動A相に相転移した後 の温度変化 測定解析結果
自由空間中の回転超流動3He③ 回転下で常流動相から超流動A相に相転移した後 の温度変化 測定解析結果 測定条件 ○　冷却過程 ＊　加熱過程 物質系輪講ⅠB＠物質系講義室 1/12

18 実験 実験空間 核断熱消磁回転冷凍機 銅 配置 断熱消磁 熱浴（銅） 薄い平板空間 自由空間 回転 薄い平板空間 自由空間 円柱形
Pt 帯磁率温度計 銅の核スピン温度 58 n K 薄い平板空間 自由空間 3He融解圧温度計 熱浴（銅） 薄い平板空間 自由空間 回転 銅 円柱形 直径 3(>>ξD) mm 高さ 6 mm 間隔 0.01 m(~ξD)で シートを積み重ねた 物質系輪講ⅠB＠物質系講義室 1/12

19 超流動3He-Aの秩序変数とその配向 ９成分複素秩序変数 秩序変数の配向 秩序変数 は と と に依存 （軌道状態） （スピン状態）
壁との境界条件 秩序変数　は　と　と　に依存 　（軌道状態） 双極子双極子相互作用 クーパー対の軌道角運動量の 方向の単位ベクトル 磁化異方性 　（スピン状態） スピン波の進行方向の単位ベクトル 　の剛性 　（位相） のまわりの　 と　 の回転 物質系輪講ⅠB＠物質系大講義室 1/12

20 回転超流動3He-Aの量子渦 既知なる渦（ ） CUV VS SV LV1,LV2,LV3 未知なる条件
多成分秩序変数 超流動4He，従来の超伝導体 単一秩序変数 既知なる渦（　　　　　） CUV VS SV LV1,LV2,LV3 一般的な渦糸（ｎ＝１） 相対論的場の量子論（宇宙紐） 超伝導体（磁束量子）　 BEC 回転超流動3He-B 未知なる条件 高速回転（　　　　　） 制限空間 （厚み の薄い平板空間） 絶対零度近傍（ ） 超流動転移点近傍 （ ） 強磁場 超流動3He-Aの渦（ｎ＝１,２,４） CUV（ｎ＝２） VS（ｎ＝４）　 MerminHoの渦（ｎ＝１） 単一成分秩序変数 従来の超伝導体 超流動4He-Ⅱ 芯 物質系輪講ⅠB ＠物質系大講義室　　　1/12

21 理論的な渦相図