川崎, 健司

Osaka City University Repository

氏名
学位の種類
学位記番号
学位授与年月日
学位授与の要件
学位論文名
論文審査委員
川崎健司
博士(理学)
第 4338号
平成15年3月25日
学位規則第4条第2項該当者
0.8マイクロメートルの超流動ヘリウム3薄膜の相転移現象
(Phase Transition Phenomena of 0.8-μm SuperfJuid Helium 3 FiJm) 
主査教授畑 徹 副主査教授唐沢 力
副主査助教授石川修六 副主査助教授坪田 誠
論文内容の要旨
液体ヘリウム 3は、温度2mK以下で超流動相転移をし、そのようになったものは超流動ヘリウム 3と
いう。超流動ヘリウム 3の状態は、t コヒーレンス長と呼ばれる長さで記述され、その長さは0.1μm程度
であるo 超流動ヘリウム 3の状態とコヒーレンス長との関係を具体的に示すものの 1っとして、代表的な
長さがコヒーレンス長程度である容器中では超流動ヘリウム 3の超流動温度が低下する、或いは超流動性
自体を示さないことが挙げられる。これらのことは、実験や理論の多くの研究がなされてきた。
超流動ヘリウム 3に現れる相として、零磁場の下で温度と圧力に応じてA相とB相と呼ばれる 2相があ
る。コヒーレンス長程度の狭い隙聞を持つ容器中では、温度や圧力に加え、その長さや形状にも応じるよ
うになる。併し、これらについての研究は、多くなされてきたとは言えない。
本研究の目的は、コヒーレンス長程度の隙間である超流動ヘリウム 3の状態を実験によって調べること
である。よって、隙間の形状と代表的な長さを容易に知ることの出来る狭い平行平板間中に超流動ヘリウ
ム3を入れ、 NMR法で測定を行った。尚、平行平板という形状は、 NMRの測定とその後の解析に適し
ている。平行平板間の隙間のサイズは0.8μmとしたが、それは過去に行われた0.3μmと1.1μmのそれぞ
れの実験結果を補い、繋ぐ、という結果を期待した為である。
測定(実験)は、圧力0.14MPaから2.74MPaのある圧力一定の下で、温度を変化させて行った。測定の
最低温度は0.3mKで、ある。測定したすべての圧力では超流動相転移温度以下でA相を観測した。圧力
0.14MPaでは最低温度までA相のみが現れた。併し、それ以上の圧力では、さらに温度を下げるとB相を
観測した。最低温度から昇温過程の測定ではAB相転移温度を決定することが出来、それは1.1μmの結果
から予想されるものとは矛盾は無かった。
今回の測定で得られたAB相転移温度を用いて、臨界厚さと呼ばれる量を求めた。臨界厚さを用いた解
析から、異なるサイズの平行平板聞における超流動ヘリウム 3のAB相転移温度を計算した。それによる
と、隙間のサイズが0.4μm以下の平行平板間中の超流動ヘリウム 3は、 A相のみしか現れないことが分か
り、過去に行われた0.3μmの実験結果を矛盾なく説明するものとなった。
またコヒーレンス長程度の狭い隙間の実験では、容器の壁の状態が超流動ヘリウム 3に影響することが
知られている。純粋な液体ヘリウム 3を狭い隙聞にいれた実験では、隙間の表面には数層の固体ヘリウム
3が存在する。これをヘリウム 4で置き換えることで、狭い隙間にある超流動ヘリウム 3に与える影響を
変化させることが出来る。但し、隙間表面の固体ヘリウム 3やそれを置き換えたヘリウム 4がどのような
機構で影響を与えているかは知られてはいなし、。このことを調べることも目的の 1つである。
本研究では、純粋な液体ヘリウム 3のみの実験の後に、隙間の表面を2.5層のヘリウム 4で覆った実験
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も行った。結果は、ヘリウム 4で隙間表面を覆うとAB相転移温度や超流動転移温度が高くなるものであっ
fこ。
論文審査の結果の要旨
異方的な超流動3Heの特徴的な長さの1つはコヒーレンス長である。この長さは圧力に依存し絶対零
度では数十nmであるO オーダーパラメータの空間変化の特徴的な長さはコヒーレンス長と同程度である
ヒーリング長であるO 超流動3Heが入る容器の特徴的な長さがこのヒーリング長に近づくにつれ、超流
動転移温度が低下したり、超流動密度が抑制されたりするo 系の大きさは超流動状態の内部構造に対して
も効果を及ぼし、液体が入る狭い空間のもつ異方性と超流動の異方性の競合によりバルク液体とは異なる
相図が予想されているo つまり、高温、高圧力でのみ存在する非等方的(異方的)なA相がノてルク液体中
では安定である等方的なB相よりも安定化される問題である。
本研究で、は平行平板間の隙間間隔が0.8μmの空間内に超流動3Heを入れて核磁気共鳴法(NMR)により
相変化を調べ、空間サイズによるA相の安定化の機構、また壁での準粒子散乱過程が安定化に及ぼす効果
を明かにすることを目的として実験が行われた。
測定は、 0.14MPaから2.74MPaの圧力範囲で、行われた。全ての測定でバルク液体の転移温度より低い
温度で超流動転移することと、超流動転移温度直下ではA相が出現することが観測されている。また、
0.14MPaで、の測定を除いて、温度を下げるとB相へ相転移することが観測されている。このAB相転移で
は温度変化に対して共鳴周波数、磁化の大きさがともに履歴を示し、 1次の相転移現象であると結論して
いる。観測されたAB転移温度は強結合効果を考慮した計算結果の 1っと良く一致することを指摘してい
る。
容器の壁表面を薄膜超流動4Heが覆うと、 3He準粒子の散乱過程が鏡面的になることが多くの実験か
らわかっている。 2.5相の4He薄膜を壁に付けた実験が行われ、全ての測定で超流動転移温度、 AB転移
温度がともに上昇することが観測されている。超流動転移温度の上昇は鏡面散乱過程から予想されるとお
りであることと、 AB転移温度の上昇は予想とは正反対であり、他の散乱過程を考慮する必要があること
を指摘している。
このように本研究は、超流動3Heの安定性に関する独創的な研究を行い、空間の非等方性が引き起こ
す超流動状態の内部自由度の変更を伴うAB相転移現象に関し、新たな知見を提供したものであり、博士
(理学)の学位を授与するに値するものであると認められると審査した。
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Phase transition phenomena of 0.8-μm superfluid helium 3 film

http://dlisv03.media.osaka-cu.ac.jp/infolib/user_contents/youshi/4338.pdf

Phase transition phenomena of 0.8-μm superfluid helium 3 film

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