| 研究課題/領域番号 |
16K05432
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
森下 將史 筑波大学, 数理物質系, 助教 (90251032)
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| 研究分担者 |
高木 丈夫 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (00206723)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | ヘリウム / 単原子層膜 / ディラク粒子系 / １次元フェルミ流体 / domain wall |
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| 研究実績の概要 |
グラファイト表面に吸着した単原子層ヘリウム薄膜は、ほぼ理想的な２次元系を与える。フェルミ粒子系である3He薄膜に比べ、ボース粒子系である4He薄膜では測定手段が限られ、情報が不足している。そこで、4He薄膜に少量の3Heの溶解し、その熱容量を測定することにより、3Heの運動を介して4He薄膜の状態や性質について情報を得る試みを行っている。この中で、√3×√3整合固相よりも高面密度領域で有限の熱容量が観測されること、さらに高面密度領域で熱容量が温度の自乗に比例することから、吸着構造のdomain wallが流動性を示し、ここに少量溶解した3Heが１次元フェルミ流体や２次元ディラク粒子系として振る舞っている可能性が強いことを指摘している。２次元ディラク粒子系では全ての粒子が同じかつ異常なほど大きな速度で運動するが、4He薄膜超流動のLandau条件による臨界速度により、3Heの速度が頭打ちになる可能性が指摘された。3Heの混入量をこれまでよりさらに減らして測定を行った結果、3He速度は頭打ちにはならず、4He薄膜の超流動臨界速度は3Heの運動には関係しない可能性が高いことが明らかとなった。
一方、4He薄膜の吸着２原子層目に存在すると信じられてきた4/7相と呼ばれる整合固相は、最近の理論計算により、その存在が疑問視されている。我々が行った3Heを混入しての熱容量測定は4/7相の存在を否定するものであったが、不純物としての3Heが4He薄膜の固化を阻害している可能性を完全に払拭することはできなかった。今回、3Heを混入しない4He薄膜の熱容量を従来よりも２桁近く低温まで測定した結果、固化などの構造相転移の兆候はなく、また、整合固相特有のphonon gapも観測されず、4/7相の存在に否定的な結果を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
グラファイト上の単原子層4He薄膜に少量の3Heを混入させたとき、4He薄膜のdomain wallが流動性を示し、domain wallのstriped構造やhoneycomb構造を反映し、3Heが１次元フェルミ流体や２次元ディラク粒子系として振る舞うとの仮説について、さらなる証拠を見出すことを目的として研究を進めている。
ディラク粒子系の１つの特徴は線形分散を反映して全てのフェルミ粒子が同一の速度をもち、しかもディラクコーンの存在により、その速度が極端に大きくなることである。4He薄膜中の3Heの場合、3Heは超流動4Heの中を自由に運動していると考えられるが、その際、4Heの超流動臨界速度が3He速度の上限を規定する可能性が指摘された。実際、これまでの測定結果をもこれを示唆するものであった。しかし、3Heの混入量を減らしての熱容量測定はこの可能性を否定する結果となった。更なる大きな3He速度を得ることができる可能性が広がった。
一方、この仮説の立証のためにはdomain wallの流動性を示すことが必要となる。その一つの方法として動的応答測定が挙げられる。流動性を示すdomain wallは充分な低温で超流動状態にあると考えられ、吸着基盤とは独立に運動が可能であり、動的応答測定により、その検出が可能と考えられる。このための音叉型水晶発振器を用いた水晶発振器マイクロバランス測定法による測定装置の準備を進めて、ほぼ完成に至っており、試運転に向け、最終の準備中である。
吸着第２原子層における4/7整合固相についても、3Heを混入しない純粋な4He薄膜の熱容量を従来より２桁低い温度まで測定することに成功し、高温域の測定だけでは得られないフォノンについての詳細な情報を得ることができた。この結果は、従来信じられていた4/7整合固相の存在には否定的である。
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| 今後の研究の推進方策 |
音叉型水晶発振器を用いた水晶発振器マイクロバランス測定法により、これまで固相と考えられていた、グラファイト上単原子層4He薄膜のdomain wall構造について、その流動性の確認を行う。当初の予定では、ねじれ振り子を用いた装置を予定していたが、扱いの容易さ、感度、熱容量測定実験との同時測定等の条件から、水晶発振器マイクロバランス測定法による測定に切り替える。既に装置は完成しているので、実際に冷却し、面密度や温度依存性を精査して、流動性あるいは超流動性の証拠を捉える。
吸着第２原子層の「4/7整合固相」において、ねじれ振り子の測定から超流動的な振る舞いが報告され、その温度依存性の異常さとともに超固体の可能性が指摘されている。ただし、面密度の不確かさが問題とされてきた。水晶発振器マイクロバランス測定法による測定と熱容量測定を同時に行うことにより、面密度の問題をクリアし、超流動的な振る舞いの起源について情報を得る。
ディラク粒子系が実現しているとすると、全ての3He原子が非常に高い同じ速度をもって運動していることになる。これまでの測定では3He混入量を減らすほど、その速度は増大している。3He混入量を減らすほど熱容量測定は困難さを増すが、どこまで減らして有意な測定を行うことができるか、また、如何なる3He速度が観測されるか調査する。
併せて、domain wall構造が流動性をもつか、流動性をもつとき、そこの溶解した3Heがディラク粒子として振る舞うかについて、理論的に検証を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
3He混入量を減らしての熱容量測定により、予想以上に早い段階で臨界速度についての結論が出たため、次の動的応答測定の装置の準備を前倒しした。この影響で、低温に冷却しての実験の期間が短縮され、低温寒剤料金の一部が支出されずに残った。
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| 次年度使用額の使用計画 |
来年度以降、低温に冷却しての実験を精力的の行う必要があり、そのための低温寒剤代として使用する。
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