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2012 Fiscal Year Annual Research Report

ナノスケール・ヘリウム物理学の構築とその応用

Research Project

Project/Area Number 21224010
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

白濱 圭也  慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (70251486)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 本多 謙介  山口大学, 理工学研究科, 教授 (60334314)
柴山 義行  室蘭工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20327688)
Project Period (FY) 2009-05-11 – 2014-03-31
Keywords物性実験 / 低温物性 / ヘリウム / ナノサイエンス / 超流動 / 量子相転移 / 多孔体
Research Abstract

本研究は、ヘリウム(4He) をナノサイズの空間に閉じこめて実現される「ナノスケール・ヘリウム」における新量子現象を系統的に明らかにし、その超流動性を自在に制御する方法を確立して超流動ジョセフソン素子を開発し、様々な科学技術への応用研究を展開していくものである。
平成24-5年度は以下の研究成果を得た。(1)ナノ多孔質ガラス中吸着4He薄膜における量子臨界点近傍の非超流動状態において観測されるねじれ振り子振動数の異常が、薄膜と多孔体の複合系の弾性率変化に起因することを発見した。(2)ナノ多孔質ガラス中加圧4Heにおいて発見した量子臨界由来の緩和時間異常を、別のナノ多孔質ガラス試料に対しても確認した。(3)ナノ多孔質ガラス中4Heの超流動性に対する静電場の効果を、平行平板コンデンサを装着したねじれ振り子により調べたが、振動子の安定性に問題があり観測できなかった。現在改善を試みている。(4)ポーラスアルミナ(PA)細孔アレイに対して金を蒸着し、細孔を10nm程度まで狭窄化することに成功した。(5)前述の金蒸着PAのナノ細孔中4Heの超流動特性を振動ワイヤー法により測定した。散逸が流速に非線形に依存する振る舞いを発見し、これを細孔中の量子乱流生成に起因すると解釈してデータ解析を進めている。(6)金蒸着PAを使用した超流動ジョセフソン装置を製作し、動作テストを行った。(7)ねじれ振り子によりグラフェンナノプレート上での4He結晶成長を調べ、単一の原子層内で4つの結晶構造間の不連続相転移を起こして成長することを発見した。(8)固体4Heの超流動的挙動に対する回転効果を調べ、超流動的成分が試料回転速度の逆数で周期的に振動する現象を発見した。この現象は超流動的成分が存在しないナノ多孔質ガラス中固体4Heにおいても弱いながら存在することがわかり、結晶中転位のダイナミクスとの関連を調べている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成24年度後半にヘリウムの供給が停止し、実験が全くできない状況となったが、研究課題のいくつかを25年度に繰り越し、寒剤が不要な無冷媒冷凍装置を導入するなどの対処を行った。その結果、いくつかの研究テーマにおいて遅延や方法の変更が生じている以外は、順調に進展していると評価する。遅延しているテーマは超流動ジョセフソン効果の実験と超流動電場効果に関する実験である。前者は現在全力で取り組んでおり、後者はこれまでに行った実験での問題点を解明しているところである。一方、ナノ多孔体中吸着4He薄膜における異常硬化現象や、ナノグラフェン表面上結晶4He薄膜の不連続構造相転移の発見(論文発表済み)など、当初予期しなかった研究成果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

ナノ多孔体中4He薄膜の硬化現象、ナノ多孔質ガラス中加圧4Heの量子臨界現象、ポーラスアルミナ中超流動4Heの量子乱流遷移については現在取りまとめと論文執筆を行っている。無冷媒ヘリウム3冷凍装置の導入により、ナノ多孔体中4He薄膜の硬化現象に関する追加実験と、超流動ジョセフソン効果の実験をスムースに進める。特に後者については、既存の希釈冷凍機も併用して、実験の成功に向けて全力で取り組んでいく。また、既存の実験装置に対しても、小型冷凍機を付置してヘリウム消費量を減らす工夫を行った。これを利用して、これまでに進めてきた電場効果の実験や、新たに製作した回転クライオスタットによるポーラスアルミナ細孔中4Heの超流動特性測定実験を進める。

  • Research Products

    (26 results)

All 2014 2013 2012 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (21 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Discontinuous Growth of Solid 4He on Graphene2013

    • Author(s)
      Aaron M. Koga, Yoshiyuki Shibayama, Keiya Shirahama
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 82 Pages: 093601 1-4

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.82.093601

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Anomalous Response of 4He Confined in Nanoporous Media to Torsional Oscillation2012

    • Author(s)
      Hitomi Yoshimura, Rama Higashino, Yoshiyuki Shibayama, Keiya Shirahama
    • Journal Title

      Journal of Low Temperature Physics

      Volume: 169 Pages: 218-227

    • DOI

      10.1007/s10909-012-0687-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Anomalous suppression of superfluidity for 4He in Gelsil glass2012

    • Author(s)
      Kouetsu Mikami, Toshiaki Kobayashi, Junko Taniguchi, Masaru Suzuki and Keiya Shirahama
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 400 Pages: 012048 1-4

    • DOI

      10.1088/1742-6596/400/1/012048

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Torsional oscillator experiment on superfluid 4He confined in a porous alumina nanopore array2012

    • Author(s)
      S Murakawa, R Higashino, K Yoshimura, Y Chikazawa, T Tanaka, K Kuriyama, K Honda, Y Shibayama and K Shirahama
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 400 Pages: 012053 1-4

    • DOI

      10.1088/1742-6596/400/1/012053

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ナノ多孔体中吸着4He薄膜の異常硬化現象2014

    • Author(s)
      白濱 圭也
    • Organizer
      東京大学物性研究所短期研究会「スーパーマターが拓く新量子現象」
    • Place of Presentation
      東京大学物性研究所
    • Year and Date
      20140417-20140419
  • [Presentation] ナノポアアレイ中の超流動4Heの流れと散逸2014

    • Author(s)
      村川智,田中智也,大澤康平,中原亮,本多謙介,白濱圭也
    • Organizer
      日本物理学会第69回年次大会
    • Place of Presentation
      東海大学平塚キャンパス
    • Year and Date
      20140330-20140330
  • [Presentation] DC回転印加に対する多孔質中固体ヘリウムの応答2014

    • Author(s)
      立木智也,高橋大輔,村川智,河野公俊,白濱圭也
    • Organizer
      日本物理学会第69回年次大会
    • Place of Presentation
      東海大学平塚キャンパス
    • Year and Date
      20140330-20140330
  • [Presentation] モデル量子物質としてのヘリウム32014

    • Author(s)
      白濱 圭也
    • Organizer
      日本物理学会第69回年次大会
    • Place of Presentation
      東海大学平塚キャンパス
    • Year and Date
      20140329-20140329
    • Invited
  • [Presentation] グラフェン基盤上ヘリウム4の不連続な結晶成長2013

    • Author(s)
      白濱圭也、Aaron Koga,柴山義行
    • Organizer
      日本物理学会2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      徳島大学常三島キャンパス
    • Year and Date
      20130927-20130927
  • [Presentation] Discontinuous Growth of Solid 4He From the Super uid Phase on Graphene Nanoplatelets2013

    • Author(s)
      A. Koga, Y. Shibayama, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2013
    • Place of Presentation
      松江市くにびきメッセ
    • Year and Date
      20130805-20130805
  • [Presentation] Superfluid flow and dissipation of 4He confined in a well-controlled nanopore array2013

    • Author(s)
      S. Murakawaa, T. Tanaka, K. Osawa, A. Nakahara, K. Honda, Y. Shibayama, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2013
    • Place of Presentation
      松江市くにびきメッセ
    • Year and Date
      20130803-20130803
  • [Presentation] Nature of the Quantum Oscillation of Solid 4He under DC Rotation2013

    • Author(s)
      T. Tsuiki, D. Takahashi, S. Murakawa, K. Kono, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2013
    • Place of Presentation
      松江市くにびきメッセ
    • Year and Date
      20130801-20130806
  • [Presentation] Simultaneous Measurements of Torsional Oscillator and Shear Modulus of Solid Helium-4 with 1ppb 3He impurity2013

    • Author(s)
      J. Shin, J. Choi, S. Jang, E. Kim, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2013
    • Place of Presentation
      松江市くにびきメッセ
    • Year and Date
      20130801-20130806
  • [Presentation] 細孔を狭窄化したナノポアアレイ中4Heの超流動転移2013

    • Author(s)
      田中智也,村川智,大澤康平,柴山義行,中原亮,本多謙介,白浜圭也
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      20130328-20130328
  • [Presentation] 多孔質ガラス中固体ヘリウムの超流動的振る舞いに対する回転効果2012

    • Author(s)
      立木智也,高橋大輔,河野公俊,白濱圭也
    • Organizer
      日本物理学会2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120921-20120921
  • [Presentation] DDモータを用いたコンパクトな回転クライオスタットの開発2012

    • Author(s)
      白濱圭也,谷口真章
    • Organizer
      日本物理学会2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120921-20120921
  • [Presentation] 孔径制御によるポーラスアルミナナノポアアレイ中4Heの超流動抑制2012

    • Author(s)
      田中智也,村川智,大澤康平,柴山義行,中原亮,本多謙介,白浜圭也
    • Organizer
      日本物理学会2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      20120921-20120921
  • [Presentation] A Compact Rotating Cryostat for Superfluid 4He Studies2012

    • Author(s)
      Keiya Shirahama, Masaaki Taniguchi
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120820-20120820
  • [Presentation] Superfluidity of 4He in a well-controlled nanopore array2012

    • Author(s)
      T. Tanaka, S. Murakawa, K. Osawa, Y. Shibayama, A. Nakahara, K. Honda, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120820-20120820
  • [Presentation] Superfluid 4He in Nanopore Array: Toward the Josephson Effect at Arbitrary Temperatures2012

    • Author(s)
      S. Murakawa, K. Osawa, T. Tanaka, K. Honda, Y. Shibayama, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120820-20120820
  • [Presentation] Ultrasound Attenuation of Confined 4He near the Quantum Critical Point2012

    • Author(s)
      Y. Iwata, Y. Negishi, N. Yamanaka, S. Murakawa, Y. Shibayama, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120819-20120819
  • [Presentation] Depletion of NCRI of solid 4He confined in Vycor glass under DC rotation2012

    • Author(s)
      T. Tsuiki, D. Takahashi, K. Kono, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120818-20120818
  • [Presentation] Simultaneous Measurements of Torsional Oscillator and Shear Modulus of Solid Helium2012

    • Author(s)
      J. Shin, W. Choi, J. Choi, S. Jang, K. Shirahama, and E. Kim
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120818-20120818
  • [Presentation] Shear Modulus Measurement of Ultrapure Solid Helium-42012

    • Author(s)
      Jaeho Shin, Jaewon Choi, Seong Jang, Duk-Young Kim, Eunseong Kim, and Keiya Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120818-20120818
  • [Presentation] Possible Quantum Oscillation of Non-Classical Rotational Inertia of Solid 4He in Vycor by DC Rotation2012

    • Author(s)
      D. Takahashi, T. Tsuiki, K. Kono, and K. Shirahama
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids QFS2012
    • Place of Presentation
      Lancaster University, UK
    • Year and Date
      20120818-20120818
  • [Remarks] 科学研究費補助金 基盤研究(S) 「ナノスケール・ヘリウム物理学の構築とその応用」

    • URL

      http://www.phys.keio.ac.jp/guidance/labs/sirahama/kiban_s/index.html

URL: 

Published: 2015-05-28  

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