研究課題
本研究の目指すところは、過去に孔径数nmの1次元トンネル中に吸着した1次元ヘリウム３量子流体の核磁気共鳴実験で得られた、低温でのスピンスピン緩和時間の増大などの朝永ラッティンジャー液体の振る舞いに合致する測定結果等を踏まえ、さらにヘリウム３間の相互作用依存性等を系統的に調べることでヘリウム３が朝永ラッティンジャー液体を実現していることを実証することである。そのためには、これまでに得られた結果が1次元系固有のものであることをまず実証する必要がある。初年度の28年度は、交付申請書の「研究実施計画」に記載したように、これまでの結果がヘリウム３の1次元性に依拠することを実験的に明らかににするため、対照実験として、同程度の孔径で同程度の吸着ポテンシャルをもつが細孔が1次元的でなく3次元的に接続されている多孔体HMM-2を用い、吸着ヘリウム３流体のNMR測定を行った。HMM-2の細孔は1.6原子層のヘリウム４で1次元系の実験と同様に壁面をコートし、その上に0.08原子層以下のヘリウム３を吸着し、帯磁率及びスピン緩和時間の温度・密度依存性の観測を行った。その結果、1次元トンネル中のヘリウム３で見られた1次元系への次元クロスオーバーを示唆する帯磁率の減少が見られないこと、スピン緩和時間が1次元系に比べ1桁以上長くなること、低温で1次元系では見られないギャップ的な振る舞いがNMRと比熱の両方で観測され吸着ヘリウム３が非磁性のシングレット対を低温で作っている可能性が示唆されることなどの全く新しい知見が得られた。これらの実験結果は、細孔接続の次元性が異なることによって、吸着ヘリウム３が全く異なる量子状態を持つことを明白に示す重要な結果であるといえる。
2: おおむね順調に進展している
28年度に得られた結果は、当初期待した通り、細孔接続の次元性によって吸着ヘリウム３の量子状態が本質的に異なることを明白に示している。このことはこれまでに我々が1次元トンネル内で観測していた現象が1次元系固有のものであることを強く裏付ける結果であると考えられる。一方、当初予期されていなかったこととしては3次元系細孔中におけるヘリウム３が非常に長いスピン緩和時間を持つことがある。このため長期にわたる測定が必要となり、3次元細孔においてヘリウム３間の相互作用を変えた測定を行うことができなかった。28年度で得られたデータにおいては、1次元細孔中のヘリウム３に見られる最も特徴的な現象、朝永ラッティンジャー液体の振る舞いに合致する低温でのスピンスピン緩和時間の増大が起きる温度領域が、全く異なる量子現象であるシングレット対の生成に伴うスピンスピン緩和時間の減少によって覆い隠されており、厳密には緩和時間の増大が1次元固有のものであるということまでは実証できていない。比熱測定においてはシングレット対のギャップがヘリウム４のコート量を増やし相互作用を弱めることで消失することがわかった。この領域でのNMR測定を対照実験としてさらに加えて行うことで、低温で観測されるスピンスピン緩和時間の増大が朝永ラッティンジャー液体に関連した1次元系固有のものであることを実証することができると考えられる。
29年度当初は上記進捗状況に記載した理由により、3次元細孔中のヘリウム３においてシングレット対を生成しない領域でのNMRの対照実験を行う。これにより、観測されたNMRの実験結果において1次元系固有に現れる現象の切り分けを完結する。3次元系で得られた結果は、逆説的には、研究目標の1次元系においても今後行う予定のヘリウム３間相互作用を変えた実験が重要であり、ヘリウム４のコート量を変えることでその相互作用が制御できることも示す重要な結果でもある。対照実験後は、再び測定対象を1次元トンネル中のヘリウム３に戻し、交付申請書「研究実施計画」に従い、ヘリウム４コート量や細孔径などでヘリウム３の相互作用や次元性を系統的に制御した上でNMR測定を行い、朝永ラッティンジャー液体状態の存在の実証を進めるとともに相互作用依存性などについて調べる予定である。ここでは次元性クロスオーバーや1次元気体領域で朝永ラッティンジャー液体に期待される特徴的な帯磁率の温度変化を検証し、この液体を特徴づける核スピン緩和時間などの動的効果の温度依存性・周波数依存性を検証を行う。また実験結果と理論の比較を通じ、その量子状態やラッティンジャーパラメタなどについて検証する。さらに実験条件に合わせ比熱測定も行い縮退状態の多角的な検討を行う。ウィルソン比などからラッティンジャーパラメタについての検討を行う。さらに必要に応じて縮退温度と次元クロスオーバー温度域を現状より分離し、より進んだ縮退状態の検証のため現状の70mKより低温の数mKが得られる大型希釈冷凍機への装置の移植を進め実験を行うことも検討している。得られた成果は論文としてまとめるほか、国際学会等で随時発信していく予定である。
当初研究計画調書の申請時には、本助成金で老朽化した測定システムの更新を行うとしていたが、交付時の減額のため、交付申請書に記載した通り、研究遂行に必要不可欠な寒剤費の確保をまず優先することとし、大幅な測定システムの更新は見合わせ、小規模な部品交換等に当助成金を使用した。今後、次年度以降の予算と合わせ余裕を見極めたうえで、随時装置の更新を進めたいと考えている。
28年度同様、本研究費は主として実験を遂行するために必要不可欠な寒剤費に多くの部分を使用する必要がある。十分ではない運営費交付金のほかに経費を得られる見込みが現在立っていないので、昨年度に残した次年度使用額分も含めて使用していく予定である。また成果を国際的に公表するための旅費を、日本物理学会の参加費用とともに使用する予定である。
すべて 2017 2016 その他
すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 5件) 備考 (1件)
Physical Review B
巻: 95 ページ: 020408(R)-1-4
10.1103/PhysRevB.95.020408
Journal of the Physical Society of Japan
巻: 86 ページ: 033702-1-4
10.7566/JPSJ.86.033702
http://ult.phys.nagoya-u.ac.jp/
