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マイクロ波超流体

◆マイクロ波超流体

磁性流体発電のエネルギーは、マイクロ波超流体現象を基礎としています。

超流体とは超伝導、超流動などのボーズ-アインシュタイン凝縮による巨視的量子効果による現象である。通常極低温下で生じ、通常の古典力学の法則ではあり得ない、量子効果を示す状態である。超伝導においては抵抗のない永久電流が流れる。超流動においては粘性による抵抗のない流体現象が生じる。
ボーズ-アインシュタイン凝縮によって電子スピンによる量子渦が生じることが超流体の特徴である。
常温常圧下において、混相磁性流体にマイクロ波を照射し超流体現象を確認した。
この現象をマイクロ波超流体と名付けた。

超流体とは超伝導、超流動などのボーズ-アインシュタイン凝縮による巨視的量子効果による現象である。通常極低温下で生じ、通常の古典力学の法則ではあり得ない、量子効果を示す状態である。超伝導においては抵抗のない永久電流が流れる。超流動においては粘性による抵抗のない流体現象が生じる。
ボーズ-アインシュタイン凝縮によって電子スピンによる量子渦が生じることが超流体の特徴である。
常温常圧下において、混相磁性流体にマイクロ波を照射し超流体現象を確認した。
この現象をマイクロ波超流体と名付けた。

マイクロ波超流体現象は、ヨーロッパ物理学会誌 応用物理学 2015年5月号  on-line     05.21.2015に審査を経て掲載されている。(volume 70 No,2 May 2015)
題目「混相磁性流体によるマイクロ波超流体現象の確認」
著者 河野 一人、河野 武平
European physical journal Applied physics, May 2015 on-line material 05.21.2015
Peer reviewed and published (volume 70 No.2 May 2015)
Title, Observation of microwave superfluid phenomena of multiple phase magnetic fluid
Author, Kazuhito Kono , Buhei Kono


ヨーロッパ物理学会誌 応用物理学 オンライン掲載ページ( European physical journal applied physics on-line journal publishing page) 


混相磁性流体の組成は、有機ポリフェノールの液体、強磁性体微粒子、反磁性体又は常磁性体微粒子である。この混相磁性流体に外部からマイクロ波を照射すると反磁性体及び常磁性体微粒子は強磁性体に転換した。この現象は超交換相互作用によって生じる。超交換相互作用によって強磁性に転換した反磁性体及び常磁性体微粒子と強磁性体微粒子を有機ポリフェノールの液体の中に入れた混相磁性流体に外部からマイクロ波を照射すると混相磁性流体は、ボーズ-アインシュタイン凝縮による量子渦を伴う超流体現象を示す。超流体現象は半導体顔料を加えると光増感度の影響によるエネルギーの増幅効果が見られる。超流体現象による量子渦に可視光の波長を選択し、照射すると光の量子効果によって超流体のエネルギーは増幅する。

マイクロ波超流体のプレゼンテーション

Mn-Zn フェライト微粒子 Cu微粒子による混相磁性流体にマイクロ波を照射し磁場を印加した場合のマイクロ波超流体。量子渦が観察される。

Mn-Znフェライト微粒子、Cu微粒子の混相磁性流体によるマイクロ波超流体の実験映像https://www.youtube.com/watch?v=OF7_MdRvwDg

マイクロ波超流体の理論的背景

常温常圧下において、混相磁性流体にマイクロ波を照射すると量子渦を伴う超流体現象を確認した。

常温、常圧下において、強磁性体微粒子の中に反磁性体又は常磁性体微粒子を配合し、有機ポリフェノールの液体を加えた液状の混相磁性流体に外部からマイクロ波を照射すると反磁性体又は常磁性体微粒子は有機ポリフェノールの陰イオンを介した超交換相互作用によって強磁性体に転換した。

強磁性体の素材はMn-Znフェライトの微粒子を、有機ポリフェノールには赤ワインを使用した。

Mn化合物が磁性を示す理由は、Mnイオンのスピンの超交換相互作用によることは、J.Spalek and Furdynaによって示されている1。Mn酸化化合物もMnイオンのスピン超交換相互作用によって磁性を示すことは既に知られている。

非磁性金属又は非磁性金属化合物が強磁性転換する理論は超交換相互作用の理論である。
Cu錯体を有機溶媒に入れ電磁波を照射するとスピンが励起し、超交換相互作用から強磁性に転換することは、Jungjoo Yoon, et alによって示されている2
表1に平均粒子20μm のMn-Znフェライト微粒子及び、Mn-Znフェライト微粒子と平均粒子20μm のCu、Ag、Al2O3、W2O3、TiO2、Au、Zr、SiC、SiO、CdS/CdSe微粒子及び炭素繊維をそれぞれ耐熱ガラス内に混相した磁性流体のマイクロ波照射後、磁場測定器のプローブを耐熱ガラス外側において、定点を定め、接触させ計測した自発磁化を示す

microwave01.jpg
  表1 常磁性、反磁性微粒子及び炭素繊維の強磁性転換による磁化の増加

表2にそれぞれの、常磁性微粒子、反磁性微粒子及び炭素繊維(カーボン繊維)の強磁性転換による磁性流体の自発磁化の上昇率を示す。

microwave02.jpg
  表2 反磁性、常磁性微粒子及び炭素繊維による磁化上昇率

有機ポリフェノールの液体にMnフェライトの微粒子と超交換相互作用によって強磁性に転換した微粒子のCu又はAu又はTiO2を混合した混相磁性流体に外部からマイクロ波を照射すると量子渦を伴った超流体現象が確認できる。

強磁性体微粒子はマイクロ波を照射するとマイクロ波を吸収し、励起し、磁化が高くなると同時に赤外線波長を輻射する。

室温において磁性体にマイクロ波を、照射すると赤外線周波数帯にマグノンの励起による、パラレルポンピングが生じ、巨視的な量子効果によって、ボーズ-アインシュタイン凝縮を示す。この現象は、Demitov et al3 及び、Thomas Kloss et al4 又 Brown, and Park5によっても示されている。

ボーズ-アインシュタイン凝縮を示すマグノンの励起による磁化の増幅については、Introductory to solid state physics, Seventh Edition, Charles Kittel6によって示されている。
Cu、Au、TiO2、のそれぞれ約50%の吸収率のある波長は370nm~570nm 7、300nm~550nm7。350nm~430nm8 であるMn-Znフェライト微粒子、超交換相互作用によって強磁性転換したCu、Au、TiO2微粒子の磁場によって吸収波長はマイクロ波帯に遷移し、マイクロ波の吸収と反射比率による干渉効果によって、Cu又はAu又はTiO2微粒子の磁化によるスピンサイクロトロン振動、Cu又はAu又はTiO2微粒子の自由電子のプラズモン振動が生じ、その結果、赤外線帯の周波数(1013Hz~1014Hz)において、マグネトプラズモン振動が励起する。Mn-Znフェライト微粒子の磁性共鳴によるスピンの歳差運動とマグネトプラズモン振動のスピン共鳴による回転運動が相互作用し、ボーズ・アインシュタイン凝縮による量子渦の紋様が生じる。マイクロ波よりも周波数の高い赤外線帯の周波数(1013Hz~1014Hz)において、強磁性流体のスピンの対称性の破れとマグネトプラズモン効果の電場によるスピンの軌道空間の破れが同時に生じていることによって、スピンの回転による量子渦を伴う超流体であることが確認できた。

金属微粒子の赤外線帯のマグネトプラズモンの原理は、Weick and Weinmann によって示されている。9

光の全反射に近い、白色金属微粒子又は光の全吸収に近い、黒色金属微粒子に、Mn-Znフェライト微粒子を混合し、混相磁性流体を作製しマイクロ波を照射しても、量子渦の生じる超流体現象は観察されない。

マイクロ波(2.45GHz)をMn-Znフェライト微粒子、強磁性構造に転換された反磁性体の、Ag微粒子、常磁性体のAl2O3微粒子、をそれぞれ別に含んだ混相磁性流体に照射し、磁場を印加した場合、量子渦の生じる超流体現象は観察されなかった。その光学的理由を説明する。

Agの光の吸収波長は紫外光である220nm~320nm7が50%以上の吸収率であり、AlまたはAl2O3は光の吸収波長が50%以上の吸収率の波長は存在しない。また吸収波長は波長200nm以下の紫外光である8。吸収波長と反射比率による干渉効果において、マイクロ波(2.45GHz)帯ではマグネトプラズモン振動による、効果的な量子渦は生じない。

超流体現象とは、超流動において現れる、ボーズ-アインシュタイン凝縮による巨視的量子現象として観察される。超流体現象は、強磁性流体のスピンの対称性の破れと電子双極子の電子感受率による電場によってスピンの軌道空間の破れが同時に生じた場合、スピンの回転による量子渦を伴って観察されることはAnthony Leggett, Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg10及びM.M.Salomas and G.E.Volovik11によって示されている。

量子渦をともなう超流体現象の確認は、核磁気共鳴によって確認された。
核磁気共鳴のスピンによる歳差運動の共鳴周波数以上である、高周波の周波数帯で大きな共鳴吸収のピークが観察されたことにおいて、超流体現象は、強磁性流体のスピンの対称性の破れと電子双極子の電子感受率による電場によってスピンの軌道空間の破れが同時に生じた場合、スピンの回転による量子渦を伴うことが、Anthony Leggett, Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg10及びM.M.Salomas and G.E.Volovik11によって示された。

超流動において、ボーズ-アインシュタイン凝縮によって、量子渦を伴う量子乱流現象が生じる。その紋様は、Paul M. Chester, Hong Liu, Allan Adams12によって示されている 量子力学的な対称性の破れに基づいて、永続的に周期運動が生じる超流体現象の理論はWilczekによって示されている13.14,15,

超伝導の永久電流が流れる量子状態もボーズ-アインシュタイン凝縮による超流体現象として理論的に説明されている。

超伝導の理論とプラズモンの理論との関係は、超伝導の南部理論において示されている。 超伝導の南部理論の説明において、スピンがボーズ-アインシュタイン凝縮を示し、縦波の集団モードのプラズモンが生じたとき、対称性が破れ、電磁場であるゲージ場が質量、すなわちエネルギーを獲得する現象について示されている16

超伝導体において、電磁場であるゲージ場が質量、すなわちエネルギーを獲得するアンダーソン-ヒッグスの定理による、スピンの共鳴周波数はテラヘルツ帯すなわち、赤外線帯から遠赤外線帯であることは、Ryuske Matusnaga, et alによって示されている17
超流動において、ソリトンがボーズ-テインシュタイン凝縮を示し、質量、すなわちエネルギーが増幅する現象は、Tarik Yefsah, et alによって示されている18

超伝導と常磁性体金属のイオンによる超交換相互作用との関係はWerner W.Schmidt, において示されている19

高温超伝導体である銅酸化物超伝導体の銅原子のスピンによる超交換相互作用と超伝導現象については、 Ruckenstein, et al によって示されている20
超交換相互作用と極低温状態のガスにおける超流体現象の関係は、Immanuel Blochによって示されている21。Immanuel Bloch において、超交換相互作用による磁場の増幅が電子双極子による電場に作用しスピンの軌道空間の破れによってスピンの回転による超流体現象が大きくなることを示している。

極低温状態のガスにレーザーを照射した場合、スピンの対称性の破れと電子双極子の電子感受率による電場によるスピンの軌道空間の破れから生じるスピン軌道運動に相互作用し超流体現象が生じることはSato et alによって示されている22
マイクロ波超流体は、現在までに知られている、超流動、超伝導と同じ巨視的量子効果による現象である。

Cu、Mn-Znフェライト微粒子による複合磁性流体のマグネトプラズモン振動の電磁場を増幅させるため、CdS/CdSe半導体顔料を追加的に配合すると、量子渦が生じる超流体状態において、量子カオスが発生し量子乱流現象が観察される。

半導体材料をモデルとして、磁場が印加されている状態で、量子カオスの発生によるプラズモンのゲージ場(電磁場)において、量子流体による量子渦が生じることから、量子乱流状態となり、量子流体のエネルギーが増幅される理論的考察は Evans and Stockman23によって理論的に説明されている。

半導体顔料CdS/CdSeの光学的性質は次の文献で示されている。
半導体顔料のCdS及びCdSeは電子と正孔が再結合し励起子によってプラズマが生じる機構から光学的に励起され発光が生じることは、V.S Dneprovskii, et al24によって示されている。

半導体顔料CdS/CdSeの微粒子が界面活性剤によって表面活性されると発光の量子効率が増幅することは、 Spanhel, 25によって示されている。
強磁性転換されたCu微粒子、Mn-Znフェライト微粒子に光増感性の高いCdS/CdSe半導体顔料に有機ポリフェノールを含有する赤ワインを入れ、表面活性を高めるために界面活性剤を配合した構成した混相電磁流体を作成しマイクロ波(500W)を照射し外部から磁場を印加した。

半導体顔料のCdS化合物微粒子は、可視光の600(nm)~740(nm)7-1に50%の吸収率があり7、有機ポリフォノール(赤ワイン)と界面活性剤を含有したCdS/CdSe半導体顔料の光電効果において、半導体顔料と有機ポリフェノールと界面活性剤の接触界面において、酸化還元反応によって荷電物質を生成し、半導体顔料の界面の荷電物質と半導体顔料の電子と正孔が再結合しエキシトン(励起子)を形成することによって、光増感度が生じる。エキシトン(励起子)によって生じた光増感度及びCdS/CdSeの強磁性転換による磁化によって、赤外線帯の周波数のマグネトプラズモン振動の励起による電磁場のエネルギーによって増幅される。

マグネトプラズモンの共鳴である、パラメトリック共鳴によって、エネルギーが増幅する原理は半導体の量子微粒子において Weick and Mariani26及び Weick and Weinmann9に示されている。

エキシトン(励起子)によって生じた光増感度及びCdS/CdSeの強磁性転換による磁化によって、赤外線帯の周波数のマグネトプラズモン振動の励起による電磁場のエネルギーによって増幅される。

マグネトプラズモンの共鳴である、パラメトリック共鳴によって、エネルギーが増幅する原理は半導体の量子微粒子において、 Weick and Mariani26に示されています。
その結果、半導体願料を加えた混相電磁流体ではMn-Znフェライト微粒子の磁性共鳴による赤外線帯の電磁波のMn-Znフェライト微粒子の振動エネルギーと強磁性転換された、Cu微粒子とCdS/CdSe半導体顔料の微粒子の赤外線帯の周波数の、パラメトリック共鳴であるマグネトプラズモンの励起による電場が相互作用し、量子渦が生じる超流体状態において、量子カオスが発生し量子乱流現象が観察される。量子渦による量子乱流の紋様は、Paul M. Chester, Hong Liu, Allan Adamsによって示されているシュミレーションと同一である。

光による量子効果による増幅効果、すなわち光によるパラメトリック増幅効果はB.R.Mollow and R.J. Glauber27によって示されている。

半導体と光の相互作用において、スピン、スードスピンによって励起された、励起子ポラリトンが半導体の正孔と電子と水素結合的に結合することによって、パラメトリック増幅効果を示すことは、P.G.Lagoudakis,によって示されている28

Mn-Zn磁性微粒子、Cu微粒子にCdS/CdSe半導体願料を加え、有機ポリフェノール(赤ワイン)の中に入れ、界面活性剤を配合した混相磁性流体に電子レンジによってマイクロ波(500W,30秒)を照射し取り出した後、マイクロ波超流体状態の混相磁性流体に可視光の波長のLED(0.5W)の光を磁場印加装置によって4方向から外部磁場を印加しながら照射させる。超流体状態の混相磁性流体はCdS/CdSe半導体顔料の励起子ポラリトンが、半導体の正孔と電子と水素結合的に結合することによって、パラメトリック増幅効果を示し、磁場が増大し、量子渦によるマイクロ波超流体のエネルギーが増幅する。マイクロ波超流体において、赤外線から赤色の波長帯(1013Hz~1014Hz)においてパラメトリック増幅効果による磁場とエネルギーは最も増幅する。

有機ポリフェノール(赤ワイン)の赤色がパラメトリック増幅の効果を高めている。マイクロ波よりも周波数の高い赤外線から赤色の波長帯(1013Hz~1014Hz)において、強磁性流体のスピンの対称性の破れとマグネトプラズモン効果の電場及び励起子ポラリトンによるパラメトリック増幅による電場の増幅によってスピンの軌道空間の破れが同時に生じていることから、スピンの回転による量子渦を伴う超流体が確認できる。

マイクロ波超流体現象を利用した、発電装置は著者によって、2012 2nd Global Congress Microwave Energy Application(Hilton Longbeach U.S.A.) において、発表されProceedingsに刊行された29


Reference

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16. Y. Nambu Rev. Mod. Phys volume 81 July-September 2009 page 1015 to page 1018
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22. M.Sato, Y. Takahashi and S. Fujimoto
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  Page 4624 ~ Page 4627
24. V.S Dneprovskii, V.I. Klimov, and M.G. Novikov
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  Whittaker,P.P.Eastham,M.S.
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  Physical Review B volume 65, 16310(R) 2002
29. Kazuhito Kono and Buhei Kono
  in Proceedings of 2012 2nd Global Congress Microwave Energy Application(Hilton Longbeach( U.S.A.) page 342 to page 355


 

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