超流動膜
超流動状態にある液体の薄い層

超流動とは、流体または流体の一部が粘性を完全に失い、抵抗なく流れる現象です。超流動膜とは、その結果形成される薄膜のことです。

例えば、超流動ヘリウムは、あらゆる容器の表面に30ナノメートルの厚さの膜を形成します。この膜の特性により、ヘリウムは容器の壁を登り、密閉されていない場合は流出します。

超流動は、超伝導と同様に、量子力学の巨視的発現である。これらの量子相転移には、理論的にも実用的にもかなりの関心が寄せられている。2次元における相転移と臨界現象の分野では、膨大な量の研究がなされてきた。 [1] この分野への関心の多くは、次元数が増加するにつれて、正確に解けるモデルの数が劇的に減少するためである。[疑わしい–議論する] 3次元以上では、平均場理論のアプローチに頼らなければならない。[疑わしい–議論する] 2次元における超流動転移の理論は、コスターリッツ-サウレス(KT) 理論として知られている。秩序パラメータが振幅と位相によって特徴付けられる2D XYモデルは、この転移の普遍性クラスである。

実験技術

フィルム面積を最大化する

薄膜、特にヘリウムの相転移を観察する場合、主要な実験的指標は超流動率と熱容量の2つです。これらの測定のいずれかを、典型的な開放容器内の超流動膜に対して行った場合、膜信号は容器からのバックグラウンド信号に圧倒されてしまいます。したがって、超流動膜を研究する際には、膜信号を増強するために、表面積の大きい系を研究することが極めて重要です。これにはいくつかの方法があります。まず、PETフィルムなどの細長い材料を「ジェリーロール」状に巻き上げます。こうして、平面膜と呼ばれる長く連続した面を持つ膜が得られます。[2] 2つ目の方法は、多孔質の金、バイコール、エアロゲルなどの多孔質材料を使用することです。これにより、基板がスイスチーズのように互いに連結した、多重連結膜が得られます。[3] これらの多孔質材料はすべて、表面積と体積の比が非常に高いです。 3 番目の方法は、非常に平らな 2 枚のプレートを薄いスペーサーで分離する方法で、これによっても表面積と体積の比率が大きくなります。

材料 表面積（m 2 /g） 細孔径（nm）
バイコールガラス 250 4
多孔質の金 100～200 100
エアロゲル 200～1000 20

超流動率の測定

単一のフィンを使用したねじり振動子。

薄膜の超流動応答は、ねじり振動子を用いて薄膜を内包するセルの慣性モーメントを測定することで測定できます。この振動子は、セルが取り付けられたねじり棒と、セルをその共振周波数でロッドの軸周りに振動させる装置で構成されています。共振周波数が高いほど、慣性モーメントは低くなります。

膜中の超流動部分は粘性を失い、振動に関与しなくなります。つまり、セルの慣性モーメントに寄与しなくなり、共振周波数が上昇します。

振動は、構成に応じて、1つのフィンまたは2つのフィンとの容量結合によって実現されます。（図の配置では、灰色で示されている1つのフィンを使用しています。）

ねじり振動子の初期の設計は、最初にアンドロニカシビリによってバルク流体4 He 内の超流動を検出するために使用され、その後 1970 年代にコーネル大学のジョン レピーと同僚によって改良されました。

ねじり振動子の共振周期は であることを思い出してください。[詳細な説明が必要]したがって、慣性モーメントを低下させると、振動子の共振周期は減少します。温度の関数として周期の低下を測定し、空セルの値から膜の総荷重を測定することで、膜のうち超流動状態に入った部分の割合を推定できます。ヘリウム膜における超流動デカップリングを明確に示す典型的なデータセットは、参考文献2に示されています。 2 π メートル / け {\displaystyle 2\pi {\sqrt {m/k}}}

より高速での測定

典型的なねじり振動子の共振周波数は1000 Hz程度である。これは基板の最大速度が毎秒マイクロメートルであることに相当する。ヘリウム薄膜の臨界速度は0.1 m/s程度と報告されている。したがって、臨界速度と比較すると、振動子はほぼ静止している。薄膜相転移の動的側面の理論を検証するには、はるかに高い周波数の振動子を使用しなければならない。水晶振動子マイクロバランスは、約10 kHzの共振周波数を持つまさにそのようなツールである 。動作原理はねじり振動子とほぼ同じである。薄膜が水晶の表面に吸着すると、水晶の共振周波数は低下する。水晶が超流動転移によって冷却されると、超流動が分離し、周波数が上昇する。[4]

いくつかの結果

KT理論は、ビショップとレピーによる平面膜、すなわちマイラー基板上のヘリウム膜を用いた一連の実験によって確認されました。具体的には、転移温度は膜厚に比例し、単分子層の5%程度の薄い膜でも超流動転移が見られることを発見しました。さらに最近では、転移温度付近で相関長が系内の関連する長さスケールを超えると、多重接続膜は臨界点付近で3D系として振舞うことが発見されました。[5]

参照

注記

  1. ^ David Thouless: 3次元未満の凝縮物質物理学。第7章。The New Physics、Paul Davies編、ケンブリッジ。
  2. ^ Bishop, DJ; Reppy, JD (1978年6月26日). 「二次元4 He膜における超流動転移の研究」. Physical Review Letters . 40 (26). American Physical Society (APS): 1727– 1730. Bibcode :1978PhRvL..40.1727B. doi :10.1103/physrevlett.40.1727. ISSN  0031-9007.
  3. ^ Berthold, JE; Bishop, DJ; Reppy, JD (1977年8月8日). 「多孔質バイコールガラスに吸着した4He膜の超流動遷移」. Physical Review Letters . 39 (6). American Physical Society (APS): 348– 352. Bibcode :1977PhRvL..39..348B. doi :10.1103/physrevlett.39.348. ISSN  0031-9007.
  4. ^ 稗田 光則; クラーク アンソニー C.; チャン MHW (2004). 「水晶振動子マイクロバランス法による金および多孔質金表面上の超流動4 He 膜の研究」. Journal of Low Temperature Physics . 134 (1/2). Springer Nature: 91– 96. Bibcode :2004JLTP..134...91H. doi :10.1023/b:jolt.0000012540.32796.e0. ISSN  0022-2291. S2CID  123335726.
  5. ^ Chan, MHW; Blum, KI; Murphy, SQ; Wong, GKS; Reppy, JD (1988年10月24日). 「液体He4における無秩序と超流動転移」. Physical Review Letters 61 (17) . American Physical Society (APS): 1950– 1953. Bibcode :1988PhRvL..61.1950C. doi :10.1103/physrevlett.61.1950. ISSN  0031-9007. PMID  10038940.

参考文献

  • Chan, MHW; Yanof, AW; Reppy, JD (1974年6月17日). 「ThinHe4Filmsの超流動」. Physical Review Letters . 32 (24). American Physical Society (APS): 1347– 1350. Bibcode :1974PhRvL..32.1347C. doi :10.1103/physrevlett.32.1347. ISSN  0031-9007.
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