Transcript amss1a2003ora

1/14.テーマ
2003.12.1 物質系輪講1A
回転下における超流動3He
～超流動3He-Aの織目構造と芯のない渦～
物質系専攻
36114
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
片岡 祐己
久保田研究室
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
・回転超流動3He-A
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の相図
http://boojum.hut.fi/research/theory/helium.html
TF ~ 1K
TF ~ 104K
3
2
1
質量 密度 純度
pressure (Mpa)
・3He原子と電子の相違点
0.001 0.01 0.1
・ 3He原子と電子のクーパー対
1
10
100
Temperature (K)
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
S=1 )
p 波スピン三重項 ( L=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
http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/ult/
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
3Heの相図
⇒ 異方的凝縮体
・超流動3He
http://boojum.hut.fi/research/theory/he3.html
9個(18個)の内部自由度
4
⇒ 凝縮相自体にも内部自由度が残る
Pressure (MPa)
⇒ 複数の凝縮相 ( 3He-A ,3He-B )
3
2
1
0
0
1
2
Temperature (mK)
3
5/14.超流動3Heの秩序変数
・相転移を記述
・超流動3He-A の秩序変数
秩序変数
・秩序変数
A ij ΔA  dˆi ( mˆ  inˆ ) j
・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)
(r ) 
A (r )i
ij
i 1,2,3
j 1.2.3
j
9個の変数
 A11 ( r )

A ( r )   A 21 ( r )
A ( r )
 31
dˆ :スピン状態
lˆ  mˆ  nˆ : 軌道状態
A :エネルギーギャップ
ΔA ( T  0 )  1mK
Tc以下で現れる
3次元正方行列
2003.12.1 物質系輪講ⅠA
A12 ( r )
A 22 ( r )
A 32 ( r )
秩序変数が空間変化が可能
→ 内部自由度を持つ凝縮体
ˆ  nˆ
 秩序変数 ˆl  m
 軌道状態を表わす
 エネルギーギャップが０
の方向にとる
 秩序変数 d̂
 スピン状態を表わす
 スピンに垂直な方向にとる
ŝ
A13 ( r ) 

A 23 ( r ) 
A 33 ( r ) 
d̂
ŝ
超流動3He-Aの秩序変数の内部自由度
dˆ & ˆl の空間変化
6/14.超流動3He-Aの秩序変数 の配向
 境界条件
2003.12.1 物質系輪講ⅠA
ˆl  wall
ΔA ( T  0 )  1mK
自由エネルギー
F   d 3 r ( fd + fh + fg )
 双極子双極子相互作用fd  
dˆ // ˆl
 磁化の異方性 fh 
1
λd (dˆ  ˆl )2
2
1
λh (dˆ  H)2
2
dˆ  H
 ˆl の剛性
f g  f g (  , ˆl )  a(   ˆl )2  
ˆl  uniform
ŝ
l̂
d̂
ŝ
H
ŝ
d̂
d̂  ŝ
様々な条件下おけるdˆ と ˆl の空間変化 織目構造(Texture)
7/14.超流動3He-Aの織目構造
 l̂
3He-Aの織目構造 ⇔ dˆ とlˆの空間変化
 配向
fd 
fh 
fg 
ˆl  wall
dˆ // ˆl
dˆ  H
ˆl  uniform
 固有の値
f g  fd  ξd  10μm
fd  fh  H d  2 mT
2003.12.1 物質系輪講ⅠA
 d̂
H(  H d )
ξd
壁の近傍の織目構造
「一様な ˆl と dˆ の織目構造を作りたい！!」
ξd
 ξd
H(  H d )
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
 l̂
NMR ⇒ d̂ (スピン状態)を見る
 双極子相互作用によるトルク
Rd  (dˆ  ˆl )(dˆ  ˆl )
l̂

d̂
 周波数シフト
f 2  f L2  cos2θ  f A2 ( T )
f L  H
ラーマー周波数
f A2 ( T )
Δf 
cos2θ
2f L
2
2
f A ( T )  ΔA ( T )
 d̂
H(  H d )
ξd
NMR吸収
fL

2
A
f
2 fL
0
Δf
2
A
f
2 fL
NMRによってdˆ とˆl の情報が得られる
9/14.回転超流動
2003.12.1 物質系輪講ⅠA
・回転超流動4He
超流動速度場

 1
vs 
 
 e
m4
m4 r
・超流動3He-A

m̂i n̂i
l̂

2m3 i
m̂


(   cos  )
n̂
2m3
 : l̂ と壁のなす角
vs 
vs
vs
r
円筒容器中
vs
1

r
r
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
超流動4He
→
芯(特異点)のある渦のみ
→
超流動3He-A
→
中心でも超流動状態
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
dˆ // ˆl
NMR adsorbtion
渦にによる
NMRのサテラ
イト
dˆ // ˆl
0
http://boojum.hut.fi/~ethuneb/
5
10
15
⊿ｆ(kHz)
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
・理論的予想
渦の相図
「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
2003.12.1 物質系輪講ⅠA
・実験結果
各々の渦のNMRスペクトル
「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」
12/14.物性研究所1
・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
2003.12.1 物質系輪講ⅠA
「何故制限された空間なのか？」
「Mermin-Ho 織目構造と回転の相互作用」
・ヘルシンキ工科大
・Mermin-Ho 織目構造
直径5mm高さ30mmの円筒容器
N. D. Mermin and Tin-Lun Ho; Phys. Rev. Lett. 36 594 (1976)
直径 >> ξd (=0.01mm)
→
壁の影響なし
l̂  wall
・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
vs
L
・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
・回転との相互作用
E  Ω  L
「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
・実験空間
Pt-NMR温度計
直径
0.1mm のセル
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
熱交換器
エアーベアリング
振動なくスムーズに回転
↑核ステージに熱接触
・実験セル
平均渦間距離
rv  0.145mm
r(0.05mm)  rV
渦が入らない状態
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
14/14.結果
~物性研究所久保田研究室~
2003.12.1 物質系輪講ⅠA
・回転との相互作用 E  Ω  L
・Ω // - Lの結果
Ω L
Δf (kHz)
・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
「回転に対するMermin-Ho織目構造の非対称
性」
NMR adsorption (arb.units)
Ω L
NMR adsorption (arb.units)
・Ω // Lの結果
Δf (kHz)
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
 l̂
 d̂
H(  H d )
ξd
壁の近傍の織目構造