2022 Fiscal Year Research-status Report
Study on novel helium-3 quantum fluids with various dimensionalities and correlations designed by nano-sized environments
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22K03510
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
松下 琢 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (00283458)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 低次元系 / ヘリウム3量子液体 / 朝永ラッティンジャー液体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、まず研究実施計画中に示した「1次元3He薄膜流体、朝永ラッティンジャー液体は実現するか」という課題に関する研究を実施している。これまで我々は孔径2.4nmの1次元細孔に希薄な3Heを吸着した場合に、比熱等が3Heの1次元状態を示す領域においてのみ、朝永ラッティンジャー(TL)液体の典型的な振る舞いとされる、温度に反比例するスピンスピン緩和時間が観測されることを実証してきたが、非縮退状態でも似た振る舞いが観測されるなどから、TL液体の決定的な証拠としては認められていない状況にあった。本研究ではまずスピン拡散係数の直接観測で、非縮退液体とTL液体の運動状態の定性的な相違を明らかにし、TL液体が実現していることを実証することを目指した。まず新たに位相変調を可能にするようにNMR装置の改造と測定ソフトの改良を行い、NMR信号のS/N比を以前に比べ大幅に改善することができた。その一方で、1次元3Heの拡散係数の観測は、後記の進捗状態に示したように冷凍機等の不調により、現状ではその実験的観測がようやく可能になった段階にある。この系では、核スピンスピン緩和時間に比べて、スピン拡散の効果が小さく、従来型のスピンエコー法によっては拡散係数を観測できない。そこで本研究では従来より長い時間スケールでスピン拡散の観測が可能になるstimulated echoによる観測法を新たに導入した。この方法ではパルス列のパラメータが従来より多いため、測定パラメータの適切な値を決めるための予備実験を繰り返し行ってきた結果、実際に1次元細孔に吸着した3Heの非縮退領域の複数の温度において、スピン拡散に由来する信号減衰をとらえることが可能になった。これにより、今後1次元3Heスピン拡散の系統的な観測が可能になる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
年度当初より孔径2.4nmの1次元細孔に吸着した希薄な3Heのスピン拡散の吸着量を変えた系統的な観測を行っていくことを予定していたが、冷凍機の循環ヘリウムガスの予期せぬ漏れがあり、そのままでは試料を冷却できないことが判明した。この漏れは当該冷凍機では従来起こったことのないものであり、また循環ヘリウムが超流動になった時のみ漏れが生じるsuperleakであったため、漏れ箇所の特定は非常に困難で実際には修復に数か月を要することとなった。またそれに加えて以前に使用していた多孔体試料の劣化が著しく進んでいることがわかり、改めて試料セルを含めて新調することとした。この再作成にも吸着特性のテスト等を含め予定外の時間を要することとなったが、その反面、これまで得られていたデータの再現性を確認することができるようになったことは、結果的にはデータ検証のために利点があったと考えられる。現在でも、冷凍機の最低温度が従来より高いという問題が残っているが、1次元3HeのNMR実験を行える状態には回復したので、当初予定のスピン拡散の測定を開始している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度はまず、冷凍機の最低温度が得られるよう再度修復を試みる予定である。スピン拡散測定のためのパラメータ設定など準備は十分整った状態にあるので、その後は予定通り孔径2.4nmの1次元細孔に吸着した希薄な3Heのスピン拡散について、3He吸着量を変えた系統的な観測を行っていく。特に非縮退領域とTL液体領域での定性的な違いを検出し、TL液体が実現していることを実証し、また1次元電子系との相違などの検証から相互作用が異なることに起因する1次元3He液体に固有な特性を調べていく。同時に非縮退領域で見られていた緩和時間の低温での増大がどのような機構によるものかの検証も行っていく予定である。さらに1次元3He液体の運動状態は、ナノ細孔に被覆した4He薄膜の膜厚で大きく変調できることがわかっている。4He膜厚を変えた場合の1次元3Heの緩和時間やスピン拡散を観測することで現象の再現性、流動性や原子間相互作用が変わることによる変化等の検証を行い、この1次元量子系の基底状態の特性を明らかにしていく予定である。
不確定要素のある問題としては、冷凍機の最低温度がTL液体の観測を行うために十分低温にならない場合が考えられるが、状況に応じて現状の冷凍機で期間内の修復が困難と判断されれば、測定系自体を別の冷凍機に完全移設する等の対応を行うことも考えている。
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| Causes of Carryover |
当初本年度の主要な購入備品として、現在不具合の進んでいるNMR用オシロスコープの新規購入を想定していたが、本年度に破損した冷凍機用真空ポンプの代替品を購入したこと、冷凍機運転に必要なヘリウム冷媒の予想以上の価格高騰などがあったため、本年度分の助成金では購入には不十分となった。そこで、今後も価格上昇の続くヘリウム冷媒費用との兼ね合いではあるが、本年度の残金は次年度使用額として次年度助成金と合わせてオシロスコープを購入することを予定している。次年度助成金の主な使用用途は以上の備品購入とヘリウム冷媒費であるが、そのほか成果発表のための国際学会参加費用にも充てる予定である。
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[Presentation] ワイル半金属BaMnSb2における121Sbの量子ホール状態でのNMR測定2023
Author(s)
Azimjon A.Temurjonov, 熊崎将司, 清水康弘, 松下琢, 小林義明, 近藤雅起, 酒井英明, 花咲徳亮, 山中隆義, 古川哲也, 佐々木孝彦
Organizer
日本物理学会2023年春季大会
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