物理学者は最初に超流動ヘリウム3のキラルドメインを発見しました

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Anonim
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日本の物理学者は、磁気共鳴分光法を使用して超流動ヘリウム3を研究し、他の実験で間接的に確認されていたキラル磁壁の形成を初めて見ました。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。

通常の状態では、ヘリウム3は気体状態ですが、温度が下がると、異常な特性を示し始めます。したがって、3.2ケルビンに冷却されると、ヘリウム3は液体に変わり、2.6ミリケルビン未満の温度と34気圧を超える圧力で、超流動になります。つまり、隣接する液体の層間の摩擦がなくなります。そしてそれは最も狭い毛細管を通してさえ自由に流れます。これは、ヘリウム3がボーズ凝縮状態になり、すべての粒子が同じ量子状態にあり、エネルギーが可能な限り低くなり、凝縮体の運動が共通の波動関数である位相によって記述できるためです。そしてその振幅は点から点へと変化します..。この場合、スピンが1/2に等しい個々のヘリウム3分子は、クーパー対の電子対と同様にペアに結合し、ボソン(整数スピンを持つ粒子)を形成します。ボーズ・アインシュタイン凝縮の詳細については、テキスト「低温での量子ガス」、およびクーパー対についての資料「臨界温度未満」を参照してください。

この事実は、液体ヘリウム3を、粒子が最初はボソンである他の超流動液体(たとえば、ヘリウム4)とは大きく区別します。現在の理論は、低温では、ヘリウム3はキラル超流動と見なすことができることを示唆しています。大まかに言えば、そのような液体の構造は強磁性体の磁区に似ています-1つのキラルドメイン内で、粒子の角運動量は同じ方向に向けられ、ドメイン自体は壁によって分離され、角運動量の方向が変化します反対に。この場合、キラルドメインと壁の寸法は10分の1ミリメートルに達する可能性があります。この場合、「キラル」という言葉は、そのような構造に鏡面対称性がないことを強調するために表示されます。その後、このような順序付けは、ねじれ振動を測定したり、ヘリウム3内の電子の動きに対する内部マグヌス力(固有マグヌス力)の影響を調べたりする場合など、多くの間接実験で確認されました。それにもかかわらず、科学者は磁壁を直接見ることができませんでした。

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強磁性体のドメイン構造

佐々木豊率いる科学者グループは、開発した磁気共鳴分光法(MRI)技術を適用して、超流動ヘリウム3の構造を研究し、臨界温度以下の温度で初めて磁壁の形成を確認することができました。この手法は、核磁気共鳴(NMR)の現象に依存しています。これは、スピンがゼロでない原子核による外部磁場からのエネルギーの共鳴吸収です。大まかに言えば、そのような核が交流磁場に置かれると、その磁気モーメントが振動し始め、外部磁場からエネルギーを「借りる」。電界変化の周波数が遷移の共振周波数と一致する場合、振動は特に強くスイングします。 NMRについてより厳密に説明しているのは、たとえばこの記事です。ヘリウム3の場合、吸収される信号の強度が粒子の角運動量の方向に依存することが重要です。これにより、反対方向の角運動量を持つ領域と磁壁を区別できます。特に、超流動ヘリウム3を使った実験では、科学者たちは10マイクロメートルのオーダーの画像の空間分解能を達成することに成功しました。

この実験では、科学者たちは液体ヘリウム3を、磁気コイルの内側にある厚さ約0.1ミリメートル、幅数ミリメートルのセルに入れました。サンプルを2ミリケルビンに冷却することにより、物理学者は、サンプル内に約1〜2ミリメートル離れた湾曲した磁壁の形成を観察しました。この構造は、ヘリウム3が超流動でなくなる約2.4ミリケルビンの臨界温度まで安定したままでした。予想通り、この温度を超えると壁は消え、冷却を繰り返すと再び現れましたが、別の場所にありました。科学者によると、これは超流動ヘリウムのドメインの形成が自発的に発生し、内部不純物や外部境界条件に関連付けられていないことを示しています。

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通常(a、b)および超流動(d、e、f)フェーズのサンプルのMRI画像。色は吸収された信号の強度に対応します。グラフ(c)は、通常(青い線)と超流動(赤い)相のより詳細な吸収スペクトルを示しています。

科学者たちは、彼らが開発した技術は、ドメインを研究するだけでなく、スピン質量渦、渦シート、半量子渦(半量子渦)などのトポロジカル超流動における他のトポロジカルオブジェクトを視覚化するためにも使用できると述べています。

2017年6月、イタリア、カナダ、フィンランド、英国の研究者が、室温で超流動液体のように動作するシステムを初めて作成しました。これは、液体ヘリウムのようにボーズ凝縮状態に変化する蛍光色素の励起子ポラリトンに基づいています。そして同じ年の3月に、他の2つの科学者グループが、結晶の特性を同時に持ち、超流動状態に移行する超流動固体を得ることができました。

2015年6月、日本の物理学者齋藤博樹は、液体の層間に摩擦はないものの、通常の水のように超流動で泳ぐことができることを理論的に示しました。確かに、この場合、動きは波や乱流を形成することなく発生します。

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