2018 Fiscal Year Annual Research Report
Supersolidity and the quantum spin liquid state in monolayer of helium
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18H01170
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福山 寛 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00181298)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村川 智 東京大学, 低温センター, 准教授 (90432004)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子液晶 / 超固体 / 量子スピン液体 / 単原子層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラファイト上に吸着したヘリウム(He)の2 層目では、密度の上昇と共に液相(L2)→低密度局在相(C2)→不整合固相(IC2)と変化するが、C2相は原子分子からなる量子液晶の初めての例であることと、その構造は量子ヘキサティック相である可能性を我々は指摘している。最近の3He-C2相に対する我々の核磁性研究でも、これを強く支持するギャップレス量子スピン液体磁性が見つかっている。一方、ボース粒子系である4HeのC2相近傍密度では、過去の複数のねじれ振り子実験で、密度に対するreentrantな超流動応答が300mK以下の温度で報告されている。しかし、吸着基板の不均一部分の割合がそれぞれのグループで異なるため、試料の密度スケールの不定性が大きく、どの相が超流動応答を示すのか不明だった。
我々はこの問題を解決するため、低温で作成した2層目4Heの同一試料に対して、ねじれ振り子と比熱の同時測定を行うことができる装置を製作した。比熱測定で相決定ができるほどの精度が得られる高断熱性と、ねじれ振り子測定で十分な精度で超流動密度を検出できる高剛性の二つの要求を満たす支持機構を試行錯誤の末、開発した。これを用いて4HeのL2相とC2相でテスト測定した結果、400mK以下で超流動の出現と考えられる共鳴周波数の上昇を観測することに成功した。絶対零度に外挿した超流動密度はそれぞれ0.4層と0.1層分に相当する。
過去の我々のNMR測定セルでは大きな渦電流発熱のため、1mK以下での測定時間が長くなってしまうという問題があった。新設計の帯磁率測定セルでは、RFコイル近傍の渦電流発熱のより現実的な計算を行って銀熱リンクの設計を見直し、測定周波数も落とすことで発熱量を1桁以上減少できることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究を遂行する上で、当初、最も困難を伴うと予想されたのは、比熱とねじれ振り子の同時測定を実現する高断熱性、高剛性の両方を満たす試料セル用断熱支持棒の開発であった。その素材として高純度アルミナを採用し、各部の応力を有限要素法でシミュレーションして形状を最適化することでこの問題を解決できたことは大きな進展であった。また、この断熱支持棒だけでは100mK以下の低温まで試料セルを冷却できないため、制御した熱伝導度をもつ銅細線をこれに並列に接続することで解決を図った。希釈冷凍機の混合器の温度が18mKのとき得られた最低温度は60mKであったので、まずまずの性能ではあるが、今後、この熱バイパス銅細線の熱伝導度を調整することで30mK近くまで最低温度を下げるのが目標となる。
また、比熱測定の熱パルス導入がねじれ振り子測定に及ぼすクロストーク等による悪影響も当初懸念されたが、測定用の各リード線を同軸ケーブルとすることで、観測精度の範囲内で全く同時測定に問題はないことが判明した。
一方、ねじれ振り子測定の長期安定性(分解能)は、約1kHzの共鳴周波数の元で±0.1mHzであり、これは2層目4Heの0.05層分に相当する。この安定性でも、超流動相図の概略を押さえ、L2相に加えて確かにC2相が超流動レスポンスを示すことを確認することはできるだろうが、逐次相転移(超流動転移と空間対称性の破れの2段転移)の有無など、詳しい超流動相図の決定には不足である。今後、最低でも不安定性をこの数分の一まで低減したい。
3He-C2相の帯磁率測定の方は、試料セルの設計は終えることができたが、その完成までは到らなかったため、測定の開始が遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
試料セルの最低到達温度が60mKに止まった原因は、並列接続した銅細線の熱伝導度の実測値が残留電気抵抗比とWiedemann-Franz則から予測される値よりかなり小さかったことにある。この不一致は恐らく、銅細線の両端の銅プレート付近の熱抵抗が銅細線のそれ以上に大きかったことが原因と考えられる。そこで、銅細線と銅プレートを圧着した上でエポキシ系の銀ペーストでしっかり固定する改良を予定している。
ねじれ振り子測定の安定性の問題は、エレクトロニクスの接地や機械強度、同軸ケーブルの固定、プリアンプと入力ラインの見直し、等々の室温部の計測器関系の安定性向上を図る。さらに低温部でも、セル近傍におけるリード線やHe試料導入管などの固定法や取り回しの見直しなど、機械強度の向上を予定している。
過去の我々のNMR測定セルでは大きな渦電流発熱のため、1mK以下の超低温度で測定時間が非常に長くなるという問題があった。新設計の帯磁率測定セルでは、RFコイル近傍の渦電流発熱のより現実的な計算を行って銀熱リンクの設計を見直し、測定周波数も落とすことで発熱量を1桁以上減少させられると試算している。セルの製作完了を急ぎたい。
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Research Products
(10 results)
