Novel Quantum Phenomena in 2D Helium with Aspects of Quantum Phase Transition
| Project/Area Number |
20H00132
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
白濱 圭也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70251486)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永合 祐輔 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (50623435)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥45,760,000 (Direct Cost: ¥35,200,000、Indirect Cost: ¥10,560,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2021: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2020: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000)
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| Keywords | 物性物理 / 量子液体固体 / 超流動 / 量子相転移 / ヘリウム / フォノン / 誘電率 / 窒化ホウ素 / 量子流体固体 |
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| Outline of Research at the Start |
ヘリウム薄膜は「2次元強相関量子多体系」として、トポロジカル超流動、量子液晶、非平衡などの新現象を示しうる。申請者は2次元ヘリウムの性質が「励起にエネルギーギャップをもつ局在固体」と「超流動」間の「量子相転移」という見方―量子相転移描像―で統一的に理解できることを提案している。
本研究ではこの量子相転移描像に基づき、2次元ヘリウムに期待される新奇量子現象を開拓する。具体的には、(1)フォノン照射による非平衡超流動状態の実現、(2)純2次元トポロジカル超流動ヘリウム3の探索、(3)ヘリウム4薄膜における固体と超流動の共存の検証、という3つの新奇量子凝縮相・量子現象の解明に取り組む。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、2次元ヘリウムに期待される新規量子現象を、申請者が確立した量子相転移の普遍的描像に基づいて観測し、物性物理学の発展に資するものである。前年度までに以下の進展があった。
(1) グラファイトと同様の表面構造を持ち、より浅い周期ポテンシャルを有する六方晶窒化ホウ素(hBN)表面に吸着した4He薄膜の超流動と誘電性の同時測定に成功した。その結果、吸着周期ポテンシャルがグラファイトより浅いことを反映して、吸着第2層でBKT型の2次元超流動転移が起こることを見いだした。グラファイトではBKT転移が3層目から生じ、2層目では周期ポテンシャル変調を受けた超流動(超固体)状態が生じているとされることから、hBN上薄膜での超流動発現機構が興味深い研究課題であることが明らかになった。また誘電異常はガラス基板上ヘリウム薄膜に比べ非常に小さいことも判明した。現在測定を継続しながらデータ解析を進めている。
(2) 本研究で発見したガラス基板上ヘリウム薄膜の誘電異常について、誘電特性の測定周波数を1MHzまでの高周波に拡張して測定を行った。誘電異常(誘電率の減少と誘電損失の極大)が生じる温度に周波数依存性があることを見いだし、誘電損失ピーク温度より活性化エネルギーを求め、以前の温度依存性フィッティングによる解析結果とやや異なる数値を得た。この食い違いの原因について現在検討を行っている。
(3) 高周波フォノン照射による非平衡超流動の探索実験を行うため、超音波トランスデューサを内蔵した超流動特性測定用ねじれ振動子を製作したが、振動子の性能が十分でなく再度製作を進めてきた。また、金属薄膜からのフォノンパルス生成と超伝導薄膜ボロメータの開発も継続して行ってきた。これらの実験は同時に開発中の無冷媒希釈冷凍機で行う予定である。
(4) コンパクトかつ無冷媒で使用可能なPrNi5核断熱消磁装置の開発を進めた。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(4 results)
Research Products
(20 results)
