図. 本研究のイメージ図。渦の中心線がらせん状に変形している。渦の中心線に並ぶ微粒子を利用する。

私達の周りには風や川など、「何かの流れ」がたくさん存在しています。実は、これらの流れの多くには乱れた流れ、つまり「乱流」が見られることがわかっています。乱流は大小さまざまな渦の絡み合った状態とみなせることから、渦の性質を調べることが、流れの物理を理解することの鍵の一つであると考えられてきました。今回の研究の舞台でもある超流動ヘリウム中では、渦が量子的性質を持つため、

• 渦が非常に細い
• 渦が途中で途切れない
• 強さ（循環）が、どの渦についても同一で、時間的にも変化しない

などの特徴を持ちます。このユニークな特徴により、量子渦は、渦の研究の理想的なプラットフォームとして期待されています。しかし、量子渦の実験的な研究にはまだまだ困難が多く、技術的制約を解決する必要があります。特に、量子渦の中心線がらせん状に波打つ、ケルビン波と呼ばれる状態については、理論的にある程度の研究が進み、量子渦の物理を理解するために非常に重要である事がわかっていましたが、実験的にケルビン波を生み出すための手法が存在せず、大きな障害となっていました。

ケルビン波は1880年に英国の大物理学者ケルビン卿が提唱した現象です。水などの古典流体においては膨大な研究がありますが、ケルビン卿の当初の発想が理想的な形で現れる量子流体中での実験的研究はあまり進んでいませんでした。

本研究では、レーザーアブレーションという、光を用いて微粒子を作製する技術によって、帯電した微粒子を用意できる、という点が大きなブレークスルーに繋がりました。これまでの研究で、超流動ヘリウム中に微粒子を大量に導入すると、その微粒子群が量子渦に捕らえられ、微粒子が量子渦の中心線上に整列することがわかっていました。つまり、量子渦と微粒子群が一体となって動く状態を用意できます。この中の一つの微粒子が帯電している状況で、外部から交流電場を加えることで、量子渦を周期的に揺さぶることが可能になりました。

また、揺さぶられた状態にある量子渦の様子を2方向から同時にカメラで撮影することで、その3次元的なダイナミクスを可視化することに成功しました。その結果、確かに量子渦の中心線がらせん的に振動する様子を確認し、ケルビン波が生成されていることを実証しました。

さらに、ケルビン波のらせんが右巻きであるか左巻きであるか、ケルビン波がどの方向に伝わっていくのか、といった情報を元にすると、量子渦の回転方向を確定できることも明らかにしました。従来、量子渦の回転方向を直接に観察することはできず、それを推定する実験的手法も存在しませんでした。本研究により、回転方向を確実に決定できる手法が確立できました。

これまでの超流動ヘリウム中の量子渦の研究では、量子渦を単に観察する受動的な研究が主流でした。本研究により、積極的に量子渦を揺り動かし、その応答を3次元的に観察できる手法が確立したことから、量子渦の実験的研究、例えばケルビン波の減衰や複数の量子渦間の相互作用などの研究につながると期待されます。