量子乱流の生成・減衰に密接に関わる量子渦の非線形運動状態の解明に向け、超流動ヘリウム中で渦環を、そのサイズと形状を制御して生成させるための装置開発に取り組んだ。渦環生成装置は超伝導細線を用いたワイヤー振動子と樹脂製細孔板から構成される。まず有限要素法による数値計算によって細孔板が接続したワイヤー形の共振装置の共振周波数を見積もった上で、細孔板の形状、サイズを決定し、3Dプリンターを用いた光造形法によって最小孔直径4umの細孔板を作製した。その後、超伝導細線をアーチ状に張ったワイヤー振動子の頂点に、細孔板を接着した。室温でこの渦環生成装置の駆動テストを行い、正常に共振していることを確認した上で、4He冷凍機を用いて温度約1.3Kまで装置を冷却し、超流動ヘリウム中での共振スペクトル測定を行った。振動速度のドライブ電流(力)依存性を調べ、常流動成分による粘性の効果を示唆する線形性を確認することに成功した。しかし、量子渦、量子乱流が発生する振動速度まで上昇させることができなかった。これは、太さ156umの太い超伝導線を使用して装置を作製したが、その分硬くなったため十分な振動振幅が実現できなかったことが考えられる。そこで、新たにマニピュレータを導入して、より小サイズの細線および細孔板の取扱いを確立した。このマニピュレータを用いて太さ30umの超伝導細線振動子に、前回よりも小さいサイズの細孔板を接着した渦環生成装置を新たに作製した。再度低温超流動中で実験を行ったところ、渦・乱流生成に伴う振動の散逸の観測に成功した。細孔から渦環が放出されていると考えられる。今後、渦環が放出されていることを実証すべくさらなる装置の改良および実験を進める予定である。また、ヘルムホルツ共鳴器を用いた渦環生成装置の作製も検討する。
I developed generator devices of quantum vortex rings which can control a ring shape and size precisely in superfluid helium, for elucidation of non-linear dynamics of quantum vortices related to creation and decay of quantum turbulence. A vortex ring generator consists of a vibrating wire resonator made of a superconducting wire and a resin orifice plate. A shape and a size of the orifice plate was fixed by estimation of a resonant frequency of the device using numerical simulation with a finite element method, and the plate with a minimum diameter of 4 um was fabricated with stereolithography using a 3D printer device. Then, the plate was glued at the top of the superconducting vibrating wire with an arch shape. I checked a resonant oscillation of the device at a room temperature and then cooled it down to 1.3 K with a 4He cryostat to measure a resonant spectrum in superfluid helium. I investigated a current(force) dependence of oscillation velocity and successfully obtained its linearity due to viscosity of a normal fluid component of superfluid helium. However, an oscillation velocity did not increase exceeding the critical velocity for creation of quantum vortex and quantum turbulence. There is a possibility that the resonator did not realize high oscillation amplitude because the wire resonator consists of a thick and hence rigid superconducting wire with a size of 156 um. I then prepared a micro manipulator and devised manipulation of a thinner wire and a smaller orifice plate. I fabricated a vortex-ring generating device in which a smaller orifice plate was glued with a superconducting wire with a thickness of 30 um. I again performed oscillation measurements in superfluid helium at low temperatures and finally succeeded to observe dissipation of oscillation due to vortex/turbulence generation. It suggests vortex ring emission from the orifice. It is desirable to improve a resonator and prepare further experiments for direct verification of vortex ring emission. I will also consider fabrication of a vortex ring generating device using a Helmholtz resonator.