2023 Fiscal Year Research-status Report
水晶マイクロバランスによる3He固体膜と4He固体膜の力学応答の研究
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21K03463
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
鈴木 勝 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20196869)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | He膜 / グラファイト / 水晶マイクロバランス / 超流動 / KT転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
吸着膜のすべり運動は潤滑膜の原子・分子スケールの理解に重要でありナノトライボロジーの研究分野のひとつとして発展している。その中で3He膜と4He膜のすべり運動の研究は特異な地位を占める。3He膜と4He膜は，ともに揺らぎの大きな低次元の量子物質であり，さらに，ある面密度以上では4He膜は膜上部の液相が超流動となる。本研究の目的は，グラファイト基板に吸着した3He膜と4He膜のすべり運動を測定し，すべり運動での量子効果についての知見を得ようとするものである。
令和5年度は，単結晶発泡グラファイト基板を利用して32kHz音叉型水晶振動子により，4He膜の膜上部が超流動に転移する3原子層膜を中心に実験を行った。測定から以下の結果を得た。(1) 超流動転移温度より十分に高温の温度領域では，膜下部の固相膜での大振幅の低摩擦状態から小振幅の固着状態への緩和は，温度の低下とともに遅くなる。緩和時間の温度依存性はアレニウス則に従う。(2) 温度が低下し，膜上部の超流動転移温度に近づくにつれて，膜下部の固相膜の低摩擦状態から固着状態への緩和は速くなり，超流動転移温度以下では低摩擦状態は観測されない。また固着状態へ変化量の経過時間依存性は指数関数的ではない。(2)についての緩和の振る舞いは，平衡値からのずれの2乗に比例する項の存在で説明できる。また，その項の係数の大きさの対数は，超流動転移温度からの温度差の逆数に比例する。この振る舞いは膜上部の液相の超流動発現機構であるKT転移のコヒーレンス長の温度依存性と一致し，低摩擦状態から固着状態への緩和が速くなる現象は，KT転移の前駆現象であると結論できる。以上，本研究により4He膜のすべり運動にKT転移の前駆現象が現れるという興味深い知見が得られた。
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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
本研究から4He膜の固相膜の低摩擦状態からの固着状態への緩和は，膜上部の超流動転移温度より高温の温度域においても膜上部の超流動性が大きく影響し，KT転移の前駆現象と考えられる振る舞いが観測された。4He膜のすべり運動にKT転移の前駆現象が観測されることは新たな知見であり，（2）おおむね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は最終年度として令和5年度に引き続き, 単結晶発泡グラファイト基板を利用して32kHz音叉型水晶振動子によるHe膜のすべり運動について以下の研究を実施する。（1）4He膜のこれまの研究により，固相膜の低摩擦状態から固着状態への緩和にKT転移の前駆現象の存在が明からになったが，4He膜の面密度、その他のパラメータを変えて，その詳細を明らかにする。(2) 4He膜，3He膜ともに，1原子層膜ならびに2原子層膜では面密度によりさまざまな膜構造を取ることが知られている。特に2原子層膜を中心に膜構造とすべり運動の関係を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
今年度までの研究により，4He膜上部が超流動に転移する3原子層膜では，超流動転移温度より高温において，KT転移の前駆現象と考えられるす興味深いすべり運動の振る舞いが明らかになった。この前駆現象の詳細を明らかすることが必要であり，引き続き研究を進めることを計画した。
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