직류 회전 하에서 고체 헬륨의 비고전적 회전관성과 소리 공명 주파수 연구 = Non-classical rotational inertia and acoustic resonance studies of solid helium under DC rotation

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초고체는 그 중 일부분이 초유동성을 가지는 양자 고체이다. 1970년에 많은 이론 물리학자들이 고체에서도 초유체 상태가 나타날 가능성을 예견해왔다. 이러한 현상은 2004년에 펜스페이트 대학의 Kim과 Chan에 의해서 처음 발견되었다. 이 실험에서, 고체 헬륨이 담겨진 비틀림 진동자의 공명 주기가 감소하는 현상을 발견했다. 공명주기가 감소하는 양은 비고전적 회전관성(NCRI)으로 정의된다. 2007년, 저온에서 고체 헬륨의 층밀리기 탄성률이 측정되었고, 100 mK 이하에서 층밀리기 탄성률이 증가하는 현상이 발견되었다. 이러한 고체 헬륨의 단단해지는 현상은 온도, 주파수, $^3$He의 비율에 대한 의존성, 이력현상, dissipation 등 많은 면에서 비틀림 진동자 실험에서 발견된 NCRI와 많은 유사점을 가진다. 본 실험에서 NCRI와 고체 헬륨의 층밀리기 탄성률 증가 사이의 관계를 규명하기 위해서 직류 회전하에서 소리 공명 주파수와 NCRI를 동시에 측정했다. 한 쌍의 압전소자를 비틀림 진동자안 에 위치한 중앙 통로 사이에 설치하였다. 하난의 소자로 음파를 발생시키고 다른 소자로 그 크기를 측정한다. 소리 공명 주파수는 비틀림 진동자의 공명 주기를 측정하는 바깥 통로에 위치한 고체 헬륨의 탄성을 반영하여 측정할 수 있다. 비틀림 진동자의 고체 헬륨을 더 빠르게 회전시키면 NCRI는 더 작게 관측된다. 반면에 소리 공명 주파수의 최대 주파수와 Q-factor는 여러 회전 속도에 대해서 큰 차이를 보이지 않는다. 즉, 고체 헬륨의 층밀리기 탄성률은 4 rad/s까지 직류 회전 속도를 증가시켜도 영향을 받지 않는다. 회전 속도가 감소하면 비틀림 진동자의 공명 주기는 계단 모양으로 증가한다. 그러나 50 mK 이하에서는 회전 속도를 다시 증가시키면 NCRI는 이전의 상태로 복귀하지 않는다. Aoki et al.은 비틀림 진동자를 이용한 교류 진동 실험에서 비슷한 결과를 보고했다. 직류 회전 속도가 감소하면 소리 공명 최대 주파수가 증가한다. 또한, 최대 주파수는 50 mK 이하에서 회전 속도에 대한 이력현상을 보인다. 그러나 최대 주파수가 변하는 양은 2 Hz로, 이는 측정에서의 오차 범위보다 작은 양이다. FEM simulation을 통해서 2 Hz의 주파수 변화로는 이력현상에서 보이는 0.5%의 NCRI 변화를 설명할 수 없다. 층밀리기 탄성률이 직류 회전의 영향을 받지 않는 반면 NCRI는 직류 회전에 의해서 크게 억제되는 현상은 비틀림 진동자에서 보이는 공명 주기의 감소가 고체 헬륨의 탄성률와 직접적으로 관련되지 않은 거시적 양자 현상임을 나타낸다.
Advisors
김은성researcherKim, Eun-Seong
Description
한국과학기술원 : 물리학과,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2013
Identifier
561899/325007  / 020087091
Language
kor
Description

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과, 2013.8, [ vi, 48 p. ]

Keywords

초고체; solid helium; 고체 헬륨; supersolid

URI
http://hdl.handle.net/10203/197227
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=561899&flag=dissertation
Appears in Collection
PH-Theses_Ph.D.(박사논문)
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