ナノ構造に閉じこめたヘリウムが示す新しい量子現象の研究

2006 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 16204028
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物性Ⅱ
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 白濱 圭也 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (70251486)
• 研究分担者: 鈴木 勝 電気通信大学, 電気通信学部, 教授 (20196869) ; 柴山 義行 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (20327688)
• 研究期間 (年度): 2004 – 2006
• キーワード: ヘリウム / 超流動 / 量子相転移 / ボース粒子系 / 量子液体 / 量子固体 / 超流動固体 / ナノ多孔体

研究概要

本研究は、ナノ多孔体構造に閉じこめたヘリウム(^4He)が極低温で示す特異な量子物性を多様な実験により明らかにし、「強相関ボース粒子系」の新しい物理を開拓・追求するものである。助成期間中の3年間に研究が大きく進展し、以下のような多くの重要な発見・成果があった。
(1)ナノ多孔質ガラス中^4He(A)定積圧力測定による固液相境界の確定と、熱容量の極大を発見し、これらにより超流動相より高温で「局在ボース・アインシュタイン凝縮」状態が出現することを最終的に確認した。(B)ねじれ振り子・超音波の同時測定法を開発し、超流動特性に周波数依存性がないことと、強い試料依存性があることを発見した。(C)多孔体にKr原子を吸着させて細孔径を制御し、超流動転移温度を制御することに成功した。
(2)ナノ多孔体中水素の量子効果探索ナノ多孔質ガラスに閉じこめた水素の固液転移を定積圧力測定で調べ、大部分の過冷却液体水素は9K程度で固化するが、少量の水素は7K近くまで液体で存在することがわかった。これはナノ細孔中水素の超流動観測に期待を持たせる成果である。
(3)1次元ナノ細孔中^4Heの超流動孔径2.8nmの1次元細孔を持つFSM多孔体中^4Heの超流動が約20気圧以上で消失し、量子相転移的挙動を示すことを発見した。
(4)周期的ナノ多孔構造中^4Heの実験を準備し、超流動・固液転移の測定を進めている。
(5)固体^4Heの超流動的挙動の追試実験に成功し、超流動性の試料依存性を発見した。また多孔質ガラス中固体^4Heにおいても超流動探索を行った。

研究成果

• [雑誌論文] Thermodynamic Evidence for Nanoscale Bose-Einstein Condensation in ^4He Confined in Nanoporous Media (2008)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Yamamoto, Yoshiyuki Shibayama, Keiya Shirahama
  • 雑誌名: Physical Review Letters 100
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Superfluidity of ^4He Confined in Nano-Porous Media (2008)
  • 著者名/発表者名: K.Shirahama, K.Yamamoto, and Y.Shibayama.
  • 雑誌名: Low Temperature Physics (Fizika Nizkikh Temperatur), (Special Issue: Helium 100 years) 34
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Heat Capacity of Liquid ^4He Confined in a Nanoporous Glass (2008)
  • 著者名/発表者名: K.Yamamoto, Y. Shibayama, and K.Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 150 ページ: 353-357
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Liquid - Solid Transition and Phase Diagram of ^4He Confined in a Nanoporous Glass (2008)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Yamamoto, Yoshiyuki Shibayama, Keiya Shirahama
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 77 ページ: 013601 1-4
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Torsional Oscillator Measurements of Liquid ^4He Confined in 2.2-nm Channels of FSM (2008)
  • 著者名/発表者名: J.Taniguchi and M. Suzuki
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 150 ページ: 347-352
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Thermodynamic Evidence for Nanoscale Bose-Einsteir Condensation in ^4He Confined in Nanoporous Media (2008)
  • 著者名/発表者名: Keiichi, Yamamoto, Yoshiyuki, Shibayama, Keiya, Shirahama
  • 雑誌名: Physical Review Letters Vol. 100(in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Superfluidity of ^4He Confined in Nano-Porous Media (2008)
  • 著者名/発表者名: K., Shirahama, K., Yamamoto, Y., Shibayama
  • 雑誌名: Low Temperature Physics (Fizika Nizkikh Temperatur) (Special Issue : Helium 100 years) Vol. 34, No. 4-5(in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Heat Capacity of Liquid ^4He Confined in a Nanoporou Glass (2008)
  • 著者名/発表者名: K., Yamamoto, Y., Shibayama, K., Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics Vol. 150 ページ: 353-357
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Liquid - Solid Transition and Phase Diagram of ^4He Confined in a Nanoporous Glass (2008)
  • 著者名/発表者名: Keiichi, Yamamoto, Yoshiyuki, Shibayama, Keiya Shirahama
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan Vol. 77 ページ: 013601 1-4
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Torsional Oscillator Measurements of Liquid ^4He Confined in 2.2-nm Channels of FSM (2008)
  • 著者名/発表者名: J., Taniguchi M., Suzuki
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics Vol. 150 ページ: 347-352
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Comparison between torsional oscillator and ultrasonic measurements of liquid ^4He confined in nano porous media (2007)
  • 著者名/発表者名: J.Taniguchi, H. Ichida, Y. Aoki, S. Fukazawa, M. Hieda, and M. Suzuki
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 148 ページ: 791-795
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Simultaneous Measurements of an Ultrasound and a Torsional Oscillator for ^4He in a Nanoporous Glass (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, S. Fukazawa, J. Taniguchi, M. Suzuki, and K. Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 148 ページ: 797-801
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Superfluidity of ^4He Adsorbed on Nanoporous Activated Carbon Fibers (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Shibayama and Keiya Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 148 ページ: 809-813
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Superfluidity of ^4He in a Porous Glass and Control of the Pore Size (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Shibayama and Keiya Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 148 ページ: 803-807
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Observation of Non-Classical Rotational Inertia in Bulk Solid ^4He (2007)
  • 著者名/発表者名: M.Kondo, S. Takada, Yoshiyuki Shibayama, and Keiya Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 148 ページ: 695-699
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] ^4He in Nano - Porous Media: Superfluidity and Quantum Phase Transition (2007)
  • 著者名/発表者名: Keiya Shiraham
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics (Invited Paper) 146 ページ: 485-497
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Comparison between torsional oscillator and ultrasonic measurements of liquid ^4He confined in nano porous media (2007)
  • 著者名/発表者名: J., Taniguchi, H., Ichida, Y., Aoki, S., Fukazawa, M., Hieda, M., Suzuki
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics Vol. 148 ページ: 791-795
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Simultaneous Measurements of an Ultrasound and a Torsional Oscillator for ^4He in a Nanoporous Glass (2007)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki, Kobayashi, Satoru, Fukazawa, Junko, Taniguchi, Masaru, Suzuki, Keiya, Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics Vol. 148 ページ: 797-801
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Superfluidity of ^4He Adsorbed on Nanoporous Activatec Carbon Fibers (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki, Shibayama, Keiya, Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics Vol. 148 ページ: 809-813
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Superfluidity of ^4He in a Porous Glass and Control of the Pore Size (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki, Shibayama, Keiya, Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics Vol. 148 ページ: 803-807
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Observation of Non-Classical Rotational Inertia in Bulk Solid ^4He (2007)
  • 著者名/発表者名: Motoshi, Kondo, Shun-ichi, Takada, Yoshiyuki, Shibayama, Keiya, Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics Vol. 148 ページ: 695-699
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] ^4He in Nano - Porous Media : Superfluidity and Quantum Phase Transition (2007)
  • 著者名/発表者名: Keiya, Shirahama
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics (Invited Paper) Vol. 146 ページ: 485-497
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum phase transition of ^4He confined in a nano - porous material (2006)
  • 著者名/発表者名: Keiya Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics, AIP Conference Proceedings Series 850 ページ: 273-278
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Suppression of Freezing and Emergence of a Novel Ordered State in ^4He Confined in a Nano-porous Material (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Yamamoto, Y. Shibayama and K.Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics, AIP Conference Proceedings Series 850 ページ: 349-350
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ultrasonic study for superfluidity of ^4He filled in a nano-porous glass (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Kobayashi, S.Fukazawa, J. Taniguchi, M.Suzuki, K.Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics, AIP Conference Proceedings Series 850 ページ: 277-278
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Search for superfluidity of solid ^4He in a porous Vycor glass by means of the ultrasound technique (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Kobayashi, S.Fukazawa, J. Taniguchi, M.Suzuki, K.Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics, AIP Conference Proceedings Series 850 ページ: 333-334
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum Phase Transition of ^4He Confined in Nano Porous Media (2006)
  • 著者名/発表者名: Keiya Shirahama, Kei-ichi Yamamoto and Yoshiyuki Shibayama
  • 雑誌名: Topology in Ordered Phases (TOP2005) ページ: 227-234
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] ナノ多孔体に閉じこめたヘリウム4の量子相転移 (2006)
  • 著者名/発表者名: 白浜 圭也、山本 恵一、柴山 義行
  • 雑誌名: 固体物理 41-1 ページ: 43-51
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum phase transition of ^4He confined in anano porous material (2006)
  • 著者名/発表者名: Keiya, Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics (LT24), AIP Conference Proceedings Series Vol. 850 ページ: 273-278
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Suppression of Freezing and Emergence of a Novel Ordered State in ^4He Confined in a Nano - porous Material (2006)
  • 著者名/発表者名: K., Yamamoto, Y., Shibayama K., Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics (LT24), AIP Conference Proceedings Series Vol. 850 ページ: 349-350
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ultrasonic study for superfluidity of ^4He filled in a nanoporous glass (2006)
  • 著者名/発表者名: T., Kobayashi, S., Fukazawa, J., Taniguchi, M., Suzuki, K., Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics (LT24), AIP Conference Proceedings Series Vol. 850 ページ: 277-278
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Search for superfluidity of solid ^4He in a porous Vycor glass by means of the ultrasound technique (2006)
  • 著者名/発表者名: T., Kobayashi, S., Fukazawa, J., Taniguchi, M., Suzuki, K., Shirahama
  • 雑誌名: Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics (LT24), AIP Conference Proceedings Series Vol. 850 ページ: 333-334
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum Phase Transition of ^4He Confined in Nano - Porous Media (2006)
  • 著者名/発表者名: Keiya, Shirahama, Kei-ichi, Yamamoto, Yoshiyuki, Shibayama
  • 雑誌名: Proceedings of the International Conference on Topology in Ordered Phases (TOP2005), World Scientific Publishing Co ページ: 227-234
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum Phase Transition of ^4He Confined in Nano - Porous Media (2006)
  • 著者名/発表者名: Keiya, Shirahama, Keiichi, Yamamoto, Yoshiyuki, Shibayama
  • 雑誌名: Kotai-Butsuri(Japanese) Vol. 41, No. 1 ページ: 43-51
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Anomalous suppression of superfluidity in ^4He confined in a nanonorous glass (2004)
  • 著者名/発表者名: K. Yamamoto, H. Nakashima, Y. Shibayama, K. Shirahama
  • 雑誌名: Physical Review Letters 93 ページ: 070401 1-4
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Anomalous suppression of superfluidity in ^4He confined in a nanoporous glass (2004)
  • 著者名/発表者名: K., Yamamoto, H., Nakashima, Y., Shibayama, K., Shirahama
  • 雑誌名: Physical Review Letters Vol. 93 ページ: 070401 1-4
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より