2次元固体ヘリウム3における量子スピン液体状態の実験的検証

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03J11007
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松本 洋介 東京大学, 大学院・理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Keywords: 超低温 / 量子液体・固体 / 量子スピン液体 / 2次元3角格子 / モット転移 / 強相関

Research Abstract

グラファイト上に物理吸着したヘリウム(He)原子は低温で理想的な2次元単原子層を形成する。最近、水素(HD)バイレイヤー上の2次元^3Heにおいて、低面密度のFermi流体相から4/7相と呼ばれる整合相への相転移が、Mott-Hubbard型の量子局在転移として理解できるという主張がなされた。本研究では4/7相ごく近傍の密度での系の性質(局在転移の臨界的な振舞いなど)を探るため、グラファイト表面に^4Heを1原子層プレコートした上に吸着した2次元^3He(^3He/^4He/gr系)の熱容量を、低密度域から4/7相に至る広い範囲でこれまでにない細かい密度ステップで測定した。
その結果、正常Fermi流体域で4/7相の密度に向かって密度の増加とともに^3He準粒子有効質量m^*が^3He原子質量の8倍まで発散的に増大することが分かり、Mott-Hubbard転移のシナリオが強く支持されることが分かった。一方、4/7相ごく近傍の高密度域では、スピン自由度に由来する交換相互作用程度の温度(T【approximately equal】1mK)に熱容量ピーク(スピン熱容量)が現れ、これが30mK付近のなだらかなピークと共存することが分かった。この2つの熱容量ピークの密度および温度依存性は、流体相と整合相が空間的に相分離している単純な2相共存状態では説明できない。そこで我々は4/7相をhalf filledのMott局在相として捉え、これより低密度領域はMott局在相に零点空格子をドープした系すなわち、系の自由度が零点空格子のホッピングによって記述できる"異常流体相"であるという新しい考えを提案した。
この他、量子スピン液体状態であることが提案されている4/7相の磁気的基底状態を解明するため、同じく^3He/^4He/gr系に対して予備的な磁場中熱容量測定も行った。その結果、少なくともB【less than or equal】0.65Tの範囲ではT【approximately equal】1mKのスピン熱容量のなだらかなピークは磁場にあまり依存しないことが分かった。来年度は、これをより低温で緩和法によって熱容量測定する予定である。

Research Products

• [Publications] Y.Matsumoto: "Preliminary Heat-capacity Measurements of 2D Solid ^3He Adsorbed on Graphite Preplated with ^4He"Journal of Low Temperature Physics. 134. 61 (2004)
• [Publications] D.Tsuji: "Large Mass Enhancement in ^3He Monolayer Fluids Adsorbed on Graphite Preplated with ^4He"Journal of Low Temperature Physics. 134. 31 (2004)
• [Publications] S.Murakawa: "NMR Measurements of 2D ^3He Adsorbed on ZYX Exfoliated Graphite"Journal of Low Temperature Physics. 134. 109 (2004)
• [Publications] Y.Niimi: "Characterization of ZYX exfoliated graphite for studies of monolayer ^3He below 1 mK"Review of Scientific Instruments. 74. 4448 (2003)