2021 Fiscal Year Research-status Report
広帯域振動スペクトロスコピーによる強相関ボーズ流体研究
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21K03383
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
檜枝 光憲 東京医科歯科大学, 教養部, 教授 (30372527)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷口 淳子 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (70377018)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ボーズ流体 / 超流動 / ヘリウム4 / 量子相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強相関ボーズ流体の超流動応答は，その次元に応じて測定周波数に強く依存する可能性が実験・理論両面から指摘されている。よって広帯域での振動子実験（広帯域振動スペクトロスコピー）は、ナノ空間中に制限されたヘリウム4の新規超流動のダイナミクス研究のための非常に有効なツールと成り得る。我々は，そのようなパラメータの系統的な制御を可能にする試料として，1次元配向性多孔質膜に注目しや。この試料は、細孔長が 5 μm 程度と従来の粉状試料（FSM16 など）に比べて一桁程度長く、また膜状であるため、従来に比べ多様な振動素子を用いた実験が行いやすいという特徴を有している。我々は，ねじれ振り子に比べ１桁程度高い共振周波数を有する音叉型水晶振動子（チューニングフォーク、32 kHzおよび100kHz）の先端に細孔直径が3nmの配向性多孔質膜を張り付けて振動させることで、予備的な実験を試みた。ある量のヘリウム4を実験セルに封入した状態で、4Kから温度を下げていくと、どちらの振動子も1.4Kでヘリウムの吸着により急激な共振周波数の減少とエネルギー散逸ピークを確認した。さらに温度を下げていくと、100kHzの振動子については、1.2K付近にエネルギー散逸ピークを伴った周波数増加が見られた。この変化は直径3nmの1次元細孔中の超流動転移と解釈可能である。32kHzで超流動転移と考えられる信号が観測できなった理由は、データスキャッターによる感度不足と、吸着による変化量と比較して超流動による変化量が相対的に小さかった可能性が考えられる。
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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
2021年度は各種測定、特に機械的応答測定の準備後、実験を開始する計画となっていた。またナノ構造体の選択は、各種測定に対して向き不向きがあるため予備実験を進めながら決定する計画であった。我々は水晶チューニングフォークと1次元配向性多孔質膜の組み合わせに着目し、チューニングフォークに薄膜を付着させる方法を確立させた。また、極低温において複数の測定周波数で予備的実験を実施したところ、100kHzのチューニングフォークにおいて、１次元細孔中の超流動応答と解釈可能な信号を検知することができた。熱的な測定に関する準備は進んでいないが、一方で機械的応答について実験方法を確立できたことは非常に大きな進展である。以上より、平均値として研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度に実施した予備的実験で得られた成果を元に、１次元配向性多孔質膜を付着した音叉型水晶振動子（32 kHzおよび100kHz）の実験を継続する。測定はいろいろな吸着量に対して実施し、様々な原子相関を持った１次元細孔中ヘリウム４量子流体に対して温度スイープ測定を実施する。原子相関制御は、ナノ構造上の粒子数を制御し密度（原子間距離）を変化することで行う。粒子数・位相の不確定性関係より原子相関を強めると位相ゆらぎが増強され超流動が抑制される様子を観測する。実験で得られた１次元細孔中ヘリウム４の超流動応答による共振周波数・エネルギー散逸の温度変化・周波数依存と、朝永-ラッティンジャーボーズ流体の理論を比較検討する。さらに超流動オンセット、およびエネルギー散逸ピーク温度をプロットすることで、(A)量子臨界領域・相図の決定、（B）臨界指数の決定、（C）量子臨界領域における普遍性等を議論する。
また上記と平行して、さらに測定周波数の広帯域化を目指し、より高い測定周波数帯（MHz）の水晶振動子に１次元配向性多孔質膜を付着した実験を準備する。さらに余裕があれば、他のナノ構造を持つ多孔体を利用した実験を準備する。
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| Causes of Carryover |
2021年度は引き続きコロナ感染症の影響により、打合せや学会等がほぼ遠隔ベースで実施されたため、旅費を計画通りに使用できなかった。次年度に研究を加速させるため、自作予定だった実験治具のいくつかを外注する他、対面開催が可能な状況であれば国内外の学会等への参加も積極的に進める。
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Research Products
(3 results)
