ロトン

ロトン

ロトンとは、超流動ヘリウム4（ヘリウムII）中に存在する素励起、または準粒子の一種です。これは、超流動体の巨視的な回転状態を記述するために用いられます。また、「ロトン」という用語は、自由回転する分子における量子化された固有モードを指す場合もあります。

概要

ヘリウムIIの素励起の分散関係において、エネルギーは運動量の増加に伴い最初は線形に増加しますが、極大値に達した後、減少に転じます。その後、極小値を経て再び増加します。このうち、線形領域の運動量を持つ励起はフォノンと呼ばれ、極小値付近の励起がロトンと呼ばれます。また、極大値付近の励起はマクソンと呼ばれることがあります。

ロトンのボース＝アインシュタイン凝縮に関する研究も行われていますが、現在まで発見には至っていません。

歴史

1941年、レフ・ランダウはヘリウムIIを記述するために、液体の巨視的な密度と速度が量子化されていると仮定したモデルを提唱しました。このモデルから、集団励起の分散関係や比熱が導かれ、量子液体の流体動力学的方程式も導出されました。この方程式からは、第二音波の存在が予言されました。また、低温におけるヘリウムII相は、常流動成分と超流動成分からなる二流体モデルによって説明されました。超流動成分の比率は温度に依存し、λ点におけるヘリウムIIからヘリウムIへの相転移の際に消滅し、常流動成分のみとなります。この巨視的な理論の結果として、量子流体全般における集団励起は、フォノンとロトンという二つの素励起に分類されることとなりました。ロトンという名称は、イゴール・タムによって命名されました。

1946年、アンドロニカシュヴィリはランダウの仮定を実験的に検証しました。厚さ約13マイクロメートルのアルミ箔を0.2ミリメートルの隙間をあけて100回巻き、ヘリウムIIに浸しました。これをワイヤーで吊り下げ、回転できるようにすることで、吊り下げられたアルミホイルと液体ヘリウムが運動量を交換し、回転運動に影響を与えるようにしました。この実験によって、ヘリウムIIの粘性が測定され、適切な強度で回転させると、ある一定の最低速度以上で超流動成分が最初に動き出すことが確認されました。ただし、この実験は巨視的なスケールでのみ行われました。

1950年代の終わりに、リチャード・ファインマンは分散関係を調べるための中性子散乱実験を提案し、この実験の結果、ランダウの仮定が正しいことが確かめられました。

ジョー・ビネンが行った実験では、巨視的な回転運動が量子化されており、ロトンが角運動量を運んでいることが示されました。

現在では、ロトンスペクトルを説明するためのモデルとして、原理的なものから経験的なものまで、様々な適用可能性を持つ複数のモデルが存在します。これらのモデルは、ロトンスペクトルの形状を再現できるだけでなく、ヘリウムIIの音速や構造定数などの物理量を再現できることが求められます。ヘリウムのロトンスペクトルの研究には、マイクロ波分光やブラッグ分光が用いられています。

脚注

[参考文献] Feynman, RP, Superfluidity and Superconductivity, Rev.Mod.Phys.29, 205 (1957)

関連項目

超流動
巨視的量子現象
* ボース＝アインシュタイン凝縮

外部リンク

[外部リンク]

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