量子スピン液体状態における2次元固体ヘリウム3の磁化測定

• Project/Area Number: 15740204
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山口 明 東京大学, 物性研究所, 助手 (10302639)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2005: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2004: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2003: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: ヘリウム3 / 量子流体・量子固体 / 2次元磁性体 / フラストレーション

Research Abstract

核スピン1/2を持つ^3Heをグラファイト上に吸着させた単原子層の固体ヘリウム3は非常にきれいな2次元核磁性体で、特定の面密度(4/7整合相)では、「三角格子構造に起因する幾何学的なフラストレーション」と「反強磁性と強磁性の多体交換相互作用の競合によるフラストレーション」との2つが深く関与しており、その基底状態に興味が持たれる。これまでの実験から、スピン液体状態が基底状態として指摘されていると同時に、強磁場中で磁化プラトーが出現する可能性が、理論的に予想されている。磁場中挙動を解明すべく、磁場中で磁化測定するためのファラデー型磁化測定セルの開発を行い、1mK,10Teslaまでの測定を行った。結果として、4/7整合相では、磁化が非常に抑制されており、10Tesla中でも飽和磁化の半分しかでておらず、また飽和磁化の1/2〜1/3付近にプラトー状の構造の存在が強く示唆された。この結果は、国際会議"LT24"(アメリカ、フロリダ)、及び国内学会にて発表した。
以上のように、3年間の期間で、当初目的とした2次元^3He磁場中挙動を低温強磁場という特殊な環境下の測定を完了することができ、本研究課題は大成功のうちに終了した。
また、それと並行した実験で、2次元^3Heに関連深い1次元^3Heの比熱測定を行い、その結果を上記国際会議およびPhysical Review Letters誌に発表した。

Research Products

• [Journal Article] A Faraday magnetometer for studies of He-3 films on Graphite (2005)
  • Author(s): 山口明, 田中祐一, 石本英彦
  • Journal Title: Journal of Physics and chemistry of solids 66 Pages: 1417-1417
• [Journal Article] Possible one-dimensional He-3 quantum fluid formed in nanopores (2005)
  • Author(s): 谷口淳子, 山口明, 石本英彦, 他
  • Journal Title: Physical Review Letters 94 Pages: 65301-65301
• [Journal Article] Growth of third ferromagnetic solid He-3 layer on graphite with and without He-4 pre-plating (2005)
  • Author(s): 山口明, 綿貫孝道, 枡富龍一, 石本英彦
  • Journal Title: Journal of Physics and chemistry of solids 66 Pages: 1482-1482
• [Journal Article] Quest for the ground state in two-dimensional antiferromagnetic solid He-3 (2005)
  • Author(s): 石本英彦, 枡富龍一, 池上弘樹, 柄木良友, 山口明
  • Journal Title: Journal of Physics and chemistry of solids 66 Pages: 1417-1417
• [Journal Article] Surface Magnetism of Liquid ^3He on ^4He Pre-plated Graphite (2005)
  • Author(s): 山口明, 綿貫孝道, 枡富龍一, 石本英彦
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics 138 Pages: 307-307
• [Journal Article] A Faraday Magnetometer for Studies of Monolayer ^3He Film (2005)
  • Author(s): 山口明, 田中祐一, 石本英彦
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics 138 Pages: 313-313
• [Journal Article] Growth of a third ferromagnetic solid He-3 layer on graphite (2004)
  • Author(s): 山口明, 綿貫孝道, 枡富龍一, 石本英彦
  • Journal Title: Physical Review letters 93 Pages: 165301-165301
• [Publications] 山口明, 綿貫孝道, 枡富龍一, 石本英彦: "Surface Magnetism of ^3He in Grafoil"Journal of Low Temperature Physics. 134. 67 (2004)
• [Publications] 山口明, 田島太朗, 小原顕, 石本英彦: "Negative Ion Mobility in Superfluid ^3He under High Magnetic field"Journal of Low Temperature Physics. 134. 643 (2004)