回転超流動 3 he の基礎研究
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講演題目. 回転超流動 3 He の基礎研究. ~ バルク 及び 平行平板間制限空間中 の 3 He ~. 36114 片岡 祐己 久保田 研究室. 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.. 2004.07.21 物質系輪講 ⅠB @物質系大講義室 1/13. 主な実験の舞台 圧力 3 MPa ( ξ 0 =10nm ) 温度 2 mK (T/Tc = 0.8) 超流動 3 He-A. 超流動 3 He. 帯磁率. 液体 3 He の相図( T< 3 mK ). 超流動 3 He-A (高温高圧側). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
回転超流動 3Heの基礎研究
36114片岡 祐己久保田 研究室
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 1/13
~バルク及び平行平板間制限空間中の 3He ~
講演題目
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.
超流動 3He液体 3He の相図( T< 3 mK )
常流動 3HeTF ~ 1 K
超流動 3He-A(高温高圧側)
超流動 3He-B(低温側)
帯磁率
2
1
B 超流動 相
A超流動 相
NA χχ 1)(S スピン3重項
1(p) ,3(f),L 1S 1)(Lp 波
超流動 3He のクーパー対
1)S(L p波スピン3重項
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 2/13
フェルミ球0Δ 2
等方的const.ΔΔ 2
B2
異方的θsinΔΔ 22
A2
Nχχ
1B
T0 CTABT
A N
31 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の特徴
内部自由度のある異方的超流動体
境界磁場回転
p波スピン三重項クーパー対
1,0,1S1,0,1L
1SL
z
z
内部自由度が顕著になる条件
933
境界+磁場 → 織目構造
織目構造+回転 → 多彩な量子渦
内部自由度
秩序変数の空間変化
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 3/13
異方的
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
超流動 3He-Aの秩序変数
が縮退と
jiij )nim(dA ˆˆˆ 9成分複素秩序変数
nml )( φ ie
l
波数空間
d
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
dl
クーパー対の軌道角運動量の方向の単位ベクトル
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)
(軌道状態)l
(スピン状態)d
実空間
l
m
n
85nm10ξ0
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 4/13
超流動 3He-Aの秩序変数の配向
基底状態の配向
wall l ˆ壁との境界条件
双極子双極子相互作用(バルク)
l d ˆˆ 実験空間による配向
磁化の異方性
H d ˆˆ
uniforml ˆ の剛性l
その他
磁場による配向
自由空間中(バルク)
l d l
d
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l
l
壁の近傍
0ξ
H
d
磁場中
d
超流動 3He-Aの秩序変数の空間変化
秩序変数の配向
uniforml Hd walll l d
ˆˆˆˆˆˆ
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mm 1ξd 0.0
mT 2Hd
ld
dHH
dexp H) mT25 (H
dexp ξ) mm1.5 (r
dξ
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 6/13
になる一様に Hd ˆˆ dHH ˆˆ
自由空間(バルク) Dexp ξL
制限空間Dexp ξ~L
dexp ξ~) mm 0.012(h
壁の近傍
超流動 3He-A の核磁気共鳴
γHf
cos2f
(T)ΔΔf
L
L
2
A
核磁気共鳴はスピン状態 を検出
ld
核磁気共鳴吸収
Δf
1)(f
(T)Δ
L
A 0
Lf
l
d
共鳴周波数のずれ
dξ
d 自由空間中
薄い平板空間中
θ
1)(f
(T)Δ
L
A
kHz900 -700f expL
090θ
00θ
実際の実験空間l
d
dHH 実際の実験空間
期待される核磁気共鳴吸収信号
090θ 00θ
半径 1.56 mm>>ξD(= 0.01 mm)
間隔 0.012 mm ~ ξD(= 0.01 mm)
dHH
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0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05
0
1
2
3
4
5
Reduced Tempareture T/TC
Fre
quen
cy S
hift
s (k
Hz)
0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05
0
1
2
3
4
5
A
A
N
N
B
B
各相の核磁気共鳴周波数のずれ
核磁気共鳴周波数のずれから見た超流動 3He の相変化
自由空間中 薄い平板空間中
加熱過程
冷却過程
0Δf 0Δf cos2θTΔΔf
090θ 00θ
常流動 (N )相 超流動A相 超流動B相
冷却過程
加熱過程0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05
-5
-4
-3
-2
-1
0
Reduced Tempareture T/TC
Fre
quen
cy S
hift
s (k
Hz)
0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05
-5
-4
-3
-2
-1
0
A
A N
NB
B
自由空間中の織目構造薄い平板空間中の織目構造
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 8/13
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
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 ~
回転超流動 3He-A
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 9/13
nκsdvκ 0s
1,2,n 量子渦
2
1n
今までは Ω<3rad/s までしか研究されていない
循環
回転超流動 3He-A の核磁気共鳴
Dξ
dHH ˆˆ Ω
κ
回転容器の中
l d
dl ˆˆ
Ω,HdξΩ,Hdlξ
D
Dˆˆˆˆˆˆˆ
の内側半径の外側半径
????
核磁気共鳴から得られる情報
渦の構造の理論的予測の一例
dl ˆˆ
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.
CUVcontinuous dipole unlocked vortex
)ˆdH(H Ω
R. Blaauwgeers et al.; Nature 404 473 (2000)
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Δf
核磁気共鳴
0
0Ω
渦の信号
信号の位置→渦の構造信号の強度→渦の数
o0θ
渦以外の信号
0.0 0.5 1.0 1.5
Frequency shift (kHz)
NM
R a
bsor
ptio
n (a
rb.u
nits
.)
6.28 rad/s
0.1 rad/s
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
CΤ
Τ
Ω
0 10.8
測定条件
解析方法
TOTI
2IV
測定解析結果
0 1 2 3 4 5 60.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Rotation velocity (rad/s)
I V /
I TO
T
π2
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
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渦の生成臨界回転速度が存在?
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?
実線 0.11438Ω2/3
破線 0.07417Ω
測定条件 測定解析結果
CΤ
Τ
0 10.8
28.6
0 1 2 3 4 5 60.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
I V /
I TO
T
Rotation velocity (rad/s)
CΤ
Τ
Ω
0 10.8
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
28.6
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 12/13
rad/sTΩ C 28.6
0rad/sTΩ C
まとめ
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
静止下の結果
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
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 13/13
回転方向の違いによる差自由空間中の回転超流動 3He③
2004.07. 物質系輪講Ⅰ B@物質系講義室
1/12
0 1 2 3 4 5 60.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Rotation velocity (rad/s)
I V /
I TO
T
0 1 2 3 4 5 60.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Rotation velocity (rad/s)
I V /
I TO
T
測定条件
CΤ
Τ
0 10.8
1
MAXΩΩ
1-
測定解析結果
結論回転方向による差は見られず
加速過程
減速過程
○: Ω>0+: Ω<0
3He原子と電子
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
電子統計性フェルミ粒子電荷
1.6e-19 C質量
9.1e-31 kgフェルミ温度
10 4 - 10 5 K粒子間相互作用
長距離クーロン斥力
2004.07. 物質系輪講Ⅰ B@物質系講義室
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超流動 3Heと金属超伝導
超流動 3He
クーパー対
P波スピン 3重項
コヒーレンス長
10 - 85 nm
対形成の起源
パラマグノン ?
超流動転移温度
~ 10 -3 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
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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
2004.07. 物質系輪講Ⅰ B@物質系講義室
測定条件
0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.000.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
Rt2 =d
f sate
./df m
ain
Reduced Tempareture T/Tc
○ 冷却過程* 加熱過程
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CΤ
Τ
0 10.8
1
MAXΩΩ
測定解析結果
実験実験空間
核断熱消磁回転冷凍機
熱浴(銅)
自由空間
薄い平板空間
Pt 帯磁率温度計
3He融解圧温度計
薄い平板空間 自由空間
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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
断熱消磁
回転
配置
S
T
T9B
rad/s 2πΩMAX
銅の核スピン温度 58 n K
銅
超流動 3He-Aの秩序変数とその配向
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B@物質系大講義室
クーパー対の軌道角運動量の方向の単位ベクトル
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jiij )nim(dΔA ˆˆˆ
9成分複素秩序変数
mK1Δnml
0T
秩序変数 は と と に依存A dl φ
スピン波の進行方向の単位ベクトル
(軌道状態)l
(スピン状態)d
ijA
(位相)φ
秩序変数の配向
wall l ˆ壁との境界条件
双極子双極子相互作用
磁化異方性
l // d ˆˆ
2hh H)d(λ
2
1f ˆ H d ˆ
2dd )ld(λ
2
1f ˆˆ
)l,(ff ggˆ uniforml ˆ
の剛性l
を最小化 ) ( rdF 3 df hf gf
のまわりの と の回転l m n
)( φ ie
回転超流動 3He-Aの量子渦
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
3rad/sΩ
m10μK0T
K10~10TΔ 116TC
超流動 3He 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( )CUVVSSVLV1,LV2,LV3
3rad/sΩ
2004.07.21 物質系輪講Ⅰ B @物質系大講義室 1/12
理論的な渦相図