先進理工学専攻 集中講義 ２０２１
野村竜司先生（北海道大学大学院工学研究院）
Advanced Engineering Physics,
FY2021
日程 ２０２１年８月３０（月）〜
９月３日（金）
２〜４限
オンデマンド形式
授業
内容
＜主題＞
液体ヘリウムやヘリウム結晶などの量子凝縮系物質において発現する巨視的量子現象について解説する。対称性の自発的破れ、量子渦、2流体力学、
フェルミ液体論、BCS理論などを用いて、極低温の量子液体、量子固体が示す一見不可思議な量子的振る舞いを理解することを目指す。
Macroscopic quantum phenomena emerging in the quantum condensates,
liquid and solid He, will be explained. The purpose of this course
is to understand the peculiar quantum behaviors of the quantum
fluids and solids at low temperatures using the concepts such as
spontaneously broken symmetry, quantized vortices, two fluid model,
fermi liquid theory, and BCS theory.
＜内容＞
第１回 超流動現象概要, Overview of superfluidity
第２回 理想ボース気体，理想フェルミ気体, ideal bose and fermi gases
第３回 対称性の自発的破れ，量子渦，臨界速度, spontaneously broken symmetry, quantized
vortices, critical velocity
第４回 2流体モデルと種々の音波, two fluid model and various sound modes
第５回 2次元超流動, two dimensional superfluidity
第６回 フェルミ液体論の導入, introduction of fermi liquid theory
第７回 フェルミ液体論, fermi liquid theory
第８回 フェルミ液体の音波, sound modes in fermi liquid
第９回 クーパー不安定性、 Cooper instability
第１０回 BCS理論, BCS theory
第１１回 超流動3He, superfluid 3He
第１２回 超流動3He、トポロジカル超流動, superfluid 3He, topological superfluid
第13回 ４He量子結晶, 4He quantum crystals
第14回 超固体, supersolidity
第15回 ４Heの結晶成長, crystal growth of 4He quantum crystals
物理工学セミナー
日時：９月１0日（金）１６：３０〜
場所：Zoomによるオンライン開催
題目：超流動液体中で大変形した4He結晶の動態
（Dynamics of 4He crystals greatly deformed in superfluid 4He）
超流動4Heから生じる4He量子固体の結晶化は非常に速く進行する。これは、結晶化の進行に必要な
質量輸送が粘性の無い超流動流によって担われること、一次相転移であるにもかかわらず潜熱の発生
が無視できるほど小さいことによる。結晶成長速度は、表面で散乱する素励起の密度で決まるので、
温度を下げるにつれて発散的に大きくなる。結晶成長が速いことは、結晶形の緩和時間が短いことも
意味する。これにより高精度の実験研究が可能になり、結晶成長の基礎的・普遍的物理の多くが4He
結晶を用いて確かめられてきた歴史がある。
一方で、速い結晶成長は通常無視されているような微小な駆動力により、結晶形が敏感に変化するこ
とも意味し、ときに非常識とも思えるような特異な振る舞いを見せる。古典物質の結晶成長では散逸
により隠れていた新現象が、超流動液体から生じる量子結晶の成長に顔を出すのである。結晶成長と
融解を繰り返し表面に波として伝わる結晶化波や、結晶表面での超音波の完全反射などが、古くから
知られている例である。我々は、重力変化、超流動流、濡れ性、超音波、摩擦力などの影響を受けて、
4He結晶が瞬時にその形を変えて、大変形することを見出した。壁に接触する4He結晶、超流動液体中
を落下する4He結晶、音響放射圧で大変形した4He結晶、非対称振動する基板上の4He結晶などが見せ
る、不安定性、新奇な非平衡形や結晶運動について説明したい。高速の界面運動と超流動流が結合する
ことにより、結晶形が複雑に変化をする様子を動画を交えて紹介する。
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