新しい相互摩擦力に基く超流動

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超流動HeIIの流れ状態の研究の歴史は長いが、これまでの研究は流速が10センチメートル/秒以下の低速流領域に限られ、そこにおいては、いわゆるGorter-Mellink型の相互摩擦力を用いた2流体力学により現象をよく理解できることが示されている。我々は、断熱流という独特の系を用いて、流速が100センチメートル/秒を越える所までの高速流領域を実現し、その流れ状態の特製を実験的に捉、これを2流体力学の枠内でどのように取り扱えるかを研究した。断熱高速流領域の特徴は、流路に沿っての温度分布が流速に応じて複雑に変化することである。この温度分布を2流体力学を用いて理論的に再現することを試みた。その結果、相互摩擦力として、これまで広く用いられているGorter-Mellink型を用いては再現が不可能であることを示し、それに代わる新しい型の相互摩擦力を提案し、これを用いて、実験で得られた複雑な温度分布を全流領域において見事に再現することに成功した。この新しい相互摩擦力は、HeIIの乱流状態を表すパラメターである量子渦系密度Loが、超流動成分の速度V_Sのみの関数であるという点において、Gorter-Mellink型と決定的に異なる。温度分布の再現を与えるLoは、V_sの関数として急峻な変化と穏かな変化を繰り返す特徴ある振舞を示し、超流動乱流状態には多くの段階が存在することを示す。温度分布の再現と同時に常流動成分の流速V_nも計算され、V_nのV_s依存性にはV_nが急速に増大するという特徴的速度の存在することが見出だされた。断熱流の系に同位元素^3Heを少量混入し、その平均流速を核磁気共鳴法を用いて実験的に求めた所、そこにも同様の特徴的速度が存在することが明らかになった。この事は、我々の新しい相互摩擦力を用いた2流体力学による高速流領域の記述が正しいことを示している。