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2022年5月5日 领域 :自然科学系 关键词:量子涡、超流体氦、半导体硅纳米粒子、超低温、SDGs 用光可视化量子流体涡流——看不见的涡流—— 【研究成果要点】 利用光技术，成功地使用半导体硅纳米粒子将具有超流动氦※1这一量子性质的流体中的涡流( =量子涡流※2 )可视化。 为了理解自然界中的“漩涡”，量子漩涡备受瞩目。 但是，迄今为止只能用有限的方法进行量子涡流的实验。 展示了不是以往使用的固体氢※3等特殊材料，而是通过由包含半导体硅的多种材料构成的纳米粒子实现量子涡流可视化的可能性。 由于半导体硅纳米粒子与光的相互作用较强，为量子涡纳米粒子复合体系的光操作等全新的研究进展开辟了道路。 概要 大阪大学研究生院基础工学研究科的蓑轮阳介助教、研究生青柳翔太(博士前期课程)、芦田昌明教授等的研究小组与大阪公立大学研究生院理学研究科南部阳一郎物理学研究所的坪田诚教授、大阪市立大学研究生理学研究科的研究生干聪介(博士后期课程)等一起，利用半导体硅纳米粒子成功地将超流体氦中的量子涡流可视化(图1 )。迄今为止，为了将超流动氦中的量子涡流可视化，需要固体氢等特殊材料。
图1基于半导体硅纳米粒子(红色圆)的量子涡流可视化的示意图。 纳米粒子被捕捉并排列在量子涡流的中心轴上。 蓑轮阳介助教等研究小组此次通过将光技术引入极低温物理学研究，证实了世界上首次半导体硅纳米粒子被量子涡的中心轴捕捉。 另外，表明通过观察该捕捉到的粒子群，可以将量子涡流的情况可视化。 本研究方法不仅适用于半导体硅，还适用于各种材料，将为量子涡流的研究带来新的发展。 本研究成果将于5月5日(周四) (日本时间)在美国科学杂志《Science Advances》上公开。 研究背景 自然界中存在着以风和河等为代表的各种流动。 我们知道，这种潮流大多其实是复杂混乱的“湍流”。 湍流也可以看作是许多涡流交织的状态，但在普通流体中很难严格定义涡流，处理复杂阻碍了研究。 近年来，量子涡流作为可以从完全不同的角度逼近这种湍流现象的研究对象受到关注。 量子涡流的特征是，由于其量子性质，可以明确定义，作为非常稳定的结构，与实验科学也很投缘。 但是，由于超流体氦中的量子涡流非常细( 0.1纳米左右)，所以无法直接观测这一点成为了大课题。 研究内容 本研究通过将激光烧蚀※4这一利用光制作微粒的技术导入超流动氦这一极低温的液体中，在世界上首次成功地利用半导体的硅纳米粒子将量子涡流可视化。并且，研究表明，通过激光烧蚀在超流体氦中制作的大量硅纳米粒子，被捕捉并排列在量子涡的中心轴上。 另外，通过观察纳米粒子群的情况，成功捕捉到了量子涡流的复合现象(图2 )。 在两根量子涡流接触的瞬间，发生相互的连接，然后迅速反弹而远离。 这就是复合现象。 实验观察到的复合行为与理论预测一致，明确表明本研究可视化的对象确实是量子涡流。
图2量子涡流复合的示意图。 接触的两根量子涡流相互连接后，迅速离开。 本研究成果对社会的影响(本研究成果的意义) 本研究成果表明，使用多种材料可以实现量子涡的可视化。 特别是与迄今为止使用的固体氢微粒不同，由于可以利用与光相互作用强的半导体微粒，因此将开辟利用光进行量子涡流研究的新途径。 被量子涡捕获的微粒群与量子涡强烈相互作用，因此，例如以微粒为媒介，利用光捕获量子涡，自由操作的研究有望实现。 特别记载事项 本研究成果将于2022年5月5日(周四) (日本时间)在美国科学杂志《Science Advances》(在线)上发表。 标题:“visualisation of quanti sed vortex reconnection enabled by laser ablation” 作者姓名: Yosuke Minowa，Shota Aoyagi，Sosuke Inui，Tomo Nakagawa，Gamu Asaka，Makoto Tsubota，Masaaki Ashida doi:https:///10.1126/sci adv.ABN 1143 另外，本研究是科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业个人型研究(先驱)“利用创新性光科学技术创造最先进科学”研究领域(研究总结:田中耕一郎)的研究课题“利用光陷阱技术开拓量子流体力学”(课题编号: JPMJPR1909，研究者:蓑轮阳介)的一环进行的。 用语说明 ※1超流氦 液氦4冷却至2.1 K (开尔文)以下时出现的量子力学效果明显的液体。 粘性非常小，热传导性非常高等性质。 ※2量子涡流 以超流动氦为代表的量子流体中存在的旋涡。 由于流动循环被量化，其粗细和存在区域可以明确定义，在通常的实验环境中只存在一种量子涡流。 ※3固体氢 将氢气吹到超流体氦等超低温环境中，导入，可以使其固体化微粒化。 迄今为止的量子涡流可视化中主要使用固体氢微粒。 ※4激光烧蚀 通过对固体照射高强度激光脉冲光，瞬间使对象固体熔融蒸发等离子体化的方法。 用于基板的微细加工和薄膜制作微粒生成等各种目的。 【蓑轮助教评论】 超流氦中量子涡流的研究有非常长的历史，但迄今为止光技术还不怎么积极地使用。 我想以本研究成果为开端，运用各种各样的光技术，在量子涡流的研究中谋求新的发展。 SDGs目标 参考网址 蓑轮阳介助教 研究人员总览URL https://rd.IAI.osaka-u.AC.jp/ja/57c 42121 a928f 885.html 大阪大学研究生院基础工学研究科芦田研究室 https://laser.MP.es.osaka-u.AC.jp |
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