Dynamics and nonlinear response of strong correlated Bose superfluid

• Project/Area Number: 17K05568
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: Hieda Mitsunori 東京医科歯科大学, 教養部, 教授 (30372527)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 超流動 / 非線形効果 / KT転移 / ボーズ流体 / ヘリウム4 / 低次元 / TL液体 / ボーズ液体 / 低次元系

Outline of Final Research Achievements

We studied superfluid response of strongly correlated helium-4 in various dimensions by a quartz crystal microbalance (QCM) with the wide frequency range of 20 - 500 MHz. Main results we obtained are as follows. (1) We succeeded to observe superfluid response of two-dimensional helium-4 at microwave frequencies beyond 300 MHz. This observation is the first successful case in the world. (2) We experimentally revealed a frequency dependence of the critical velocity of the nonlinear effect of the two-dimensional superfluid under rotation at high frequencies. (3) We measured shear acoustic impedance of bulk helium-4 at various high frequencies. The experimental data of the frequency dependence are phenomenologically described by the effective viscosity model of elementary particles, phonon and roton.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

スーパークリーンなヘリウム量子流体は超流動の機械的応答研究ができるオンリーワン系であり強相関ボーズ流体に関する基礎研究の理想的なモデル系である。本研究成果により超流動ダイナミクスの断片が明らかにされ、また高周波を使った研究の新たな可能性を示した。これらの結果は強相関ボーズ系における普遍性を捉えたものと考えられ、他の強相関ボーズ系（超伝導体、磁性体、電子、冷却原子気体、結晶、液晶、クオーク）の研究においても大きな前進になるものと考える。

Research Products

• [Journal Article] Transition from a 2D Degenerate Bose Liquid to 3D Superfluid in 4He Films Formed in Nanopores (2017)
  • Author(s): Matsushita Taku、Hieda Mitsunori、Toda Ryo、Inagaki Shinji、Wada Nobuo
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Issue: 10 Pages: 103601-103601
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.103601
  • NAID: 210000134531
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 200MHzを超える2次元4He超流動応答測定の試み (2020)
  • Author(s): 檜枝光憲, 小林利章, 谷口淳子, 鈴木勝, 松下琢, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 簡易CMN温度計と小型10mK冷凍機の性能評価 (2020)
  • Author(s): 和田信雄, 小林利章, 谷口淳子, 山口明, 檜枝光憲, 松下琢
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 3次元ナノ細孔中の3Heスピン緩和時間の4He膜厚依存性 (2020)
  • Author(s): 稲垣諒一, 松下琢, 伊藤正行, 天池一憲, 檜枝光憲, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 3次元ナノ細孔中の固体領域の4He薄膜上に形成される3Heの束縛状態 (2019)
  • Author(s): 稲垣諒一, 松下琢, 伊藤正行, 天池一憲, 檜枝光憲, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 4He被覆した3次元ナノ細孔中に吸着した3He薄膜のγ値の大きなフェルミ液体状態 (2019)
  • Author(s): 松下琢, 稲垣諒一, 伊藤正行, 天池一憲, 檜枝光憲A, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 10mK小型冷凍機の開発III (2019)
  • Author(s): 和田信雄, 松下琢, 檜枝光憲
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Kosterlitz-Thouless Superfluid Transition of 4He Films on Planar Gold (2018)
  • Author(s): M. Hieda, H. Yamaguchi, T. Matsushita, and N. Wada
  • Organizer: International Symposium on Quantum Fluids and Solids, QFS2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Singlet Dimer Bound State of 3He in Nanopore Suggested by NMR (2018)
  • Author(s): T. Matsushita, K. Amaike, M. Hieda, and N. Wada
  • Organizer: International Symposium on Quantum Fluids and Solids, QFS2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 10mK小型冷凍機の開発II (2018)
  • Author(s): 和田信雄, 浦野慎也, 松下琢, 檜枝光憲
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] バルク液体4Heの横音響インピーダンス測定II (2018)
  • Author(s): 檜枝光憲, 立木智也A, 高橋大輔B, 白濱圭也A, 奥田雄一D, 河野公俊C, D, 松下琢E, 和田信雄E
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 3次元ナノ細孔中の液体4He薄膜上に形成される3He束縛状態 (2018)
  • Author(s): 松下琢, 稲垣諒一, 天池一憲, 檜枝光憲A, 和田信雄, 伊藤正行
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] ナノ多孔体中ヘリウム超流動研究のための10mK小型希釈冷凍機の開発 (2018)
  • Author(s): 浦野慎也, 青木文哉, 松下琢, 檜枝光憲, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] バルク液体4Heの横音響インピーダンス測定 (2018)
  • Author(s): 檜枝光憲, 立木智也, 高橋大輔, 白濱圭也, 奥田雄一, 河野公俊, 松下琢, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 3次元ナノ多孔体HMM-2に吸着した4He薄膜上3HeのNMRによる観測IV (2018)
  • Author(s): 天池一憲, 松下琢, 檜枝光憲, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] QCM測定における2次元およびバルク4Heの回転効果 (2017)
  • Author(s): 檜枝光憲, 滝沢亮人A, 立木智也B, 高橋大輔C, 白濱圭也B, 奥田雄一D, 河野公俊D, 松下琢A, 和田信雄A
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 3次元ナノ多孔体HMM-2に吸着した4He薄膜上3HeのNMRによる観測III (2017)
  • Author(s): 天池一憲, 松下琢, 檜枝光憲, 和田信雄
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 3次元ナノ多孔中4He薄膜の2次元縮退および3次元相転移に伴う比熱 (2017)
  • Author(s): 和田信雄, 松下琢, 鈴木尚将, 檜枝光憲, 戸田亮
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] One- and Three-Dimensional Transitions of 4He Superfluid Films Formed in Nanopores (2017)
  • Author(s): T. Matsushita, N. Wada, T. Suzuki, S. Urano, T. Murai, R. Toda, M. Hieda
  • Organizer: ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Essentially Different 3He Fluid States in 4He-preplated 1D and 3D Nanopores Revealed by NMR (2017)
  • Author(s): T. Matsushita, K. Amaike, R. Shibatsuji, M. Hieda, N. Wada
  • Organizer: ULT 2017: Frontiers of Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] One- and Three-Dimensional Transitions of 4He Superfluid Films Formed in Nanopores (2017)
  • Author(s): N. Wada, T. Matsushita, T. Suzuki, S. Urano, T. Murai, R. Toda, M. Hieda
  • Organizer: 28th International Conference on Low Temperature Physics, LT28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Possible Tomonaga-Luttinger liquid state of 3He adsorbed in 1D nanochannels (2017)
  • Author(s): T. Matsushita, R. Shibatsuji, K. Kurebayashi, M. Hieda, N. Wada
  • Organizer: 28th International Conference on Low Temperature Physics, LT28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3He fluid states adsorbed in 4He-preplated nanopores with 3D connection (2017)
  • Author(s): T. Matsushita, K. Amaike, T. Yoshimura, M. Kuno, M. Hieda, N. Wada
  • Organizer: 28th International Conference on Low Temperature Physics, LT28
  • Int'l Joint Research