2018 Fiscal Year Annual Research Report
Novel Elastic Effect and Possible Supersolidity in Helium Films
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17H02925
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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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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 物性物理 / 低温物性 / ヘリウム / 水素 / 超流動 / 弾性 / 量子相転移 / グラファイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、申請者が発見したヘリウム薄膜弾性率の異常な増大を量子弾性効果と名付け、この現象の探求を基軸として、固体表面に吸着した原子分子薄膜の新奇物性を開拓するものである。申請時は、特にグラファイトの平坦かつ周期ポテンシャルを持つ表面上のヘリウム薄膜における超固体状態(固体の超流動状態)を探索すると共に、グラフェン上ヘリウム3薄膜で期待されるディラック分散や、純2次元トポロジカル超流動状態の観測をめざした研究を展開することを目指した。本研究開始後、ヘリウムより量子性が弱いネオンおよび水素薄膜でも弾性率の増大を観測したため、量子弾性効果と称していたこの現象を単に弾性異常と名付けた。これらの多様な原子分子薄膜における弾性異常の物理的機構を解明し、ヘリウム以外の原子分子種における超流動状態の実現可能性を調べることが、本研究の目的である。
2018年度より本研究の目標の一つであるグラファイト上ヘリウム4薄膜の弾性測定を行い、超流動と剛性の共存を示唆する結果を得た。具体的には、吸着第2層までで2種類の弾性異常を観測した。1つは吸着第1層で吸着量によらず約0.5Kで観測される。2つめの弾性異常は第1層から2層完結までで観測され、吸着量増加とともに弾性異常温度が低下し、約1.5-2原子層の領域で0.4Kに留まりプラトーを形成する。プラトーの領域は、これまでリエントラント超流動もしくは超流動密度波共存状態の存在が主張されてきた吸着量領域を含む。さらに3層目以上では弾性異常が消失して量子相転移が起こり、超流動性が発現する事も見出した。
第2層完結付近の領域における弾性異常の存在は、4He第2層目において超流動と剛性(固体性)が共存することを強く示唆する。これはヘリウム薄膜が超流動固体状態である可能性を示す初めての結果であり、引き続き詳細な測定を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は、2018年度に発生した液体ヘリウム寒剤の入手難により2019年度に繰越を行った。2つの年度にわたってグラファイト上ヘリウム4薄膜の弾性測定を行い、超流動と剛性の共存を示唆する弾性異常の発見という大きな成果を上げた。当初の計画であったグラフェン振動子開発と弾性測定についてはまだ実行できていないが、大表面積のグラフォイル基板で弾性異常を発見し、これによりグラファイト上ヘリウムでも乱れた基板上ヘリウム薄膜と同様の量子相転移が起こることと、超流動と剛性の共存状態が存在する可能性が初めて示されたことは、当初の期待以上の大きな成果であった。従って当初計画以上に研究が進展した。
また2018年度までに行った多孔体中水素薄膜の弾性異常に関する論文をPhysical Review Letters誌に発表し、大きな反響があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はグラファイト上ヘリウム4薄膜における超流動・剛性共存状態について、最終的な検証を行う。さらに、グラファイトと同じ基板構造をもち、吸着第1層でも超流動性を示すことがシミュレーションで予想されている、六方晶窒化ホウ素表面上ヘリウム薄膜について同様の研究を行う予定である。
これらの研究を展開することで、グラファイト・六方晶窒化ホウ素表面上ヘリウム薄膜で期待される「量子液晶」的性質、複数対称性破れ(超流動固体)などの新しい物理概念の構築に貢献したい。
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