| 研究課題/領域番号 |
19H01840
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| 研究機関 | 学習院大学 |
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研究代表者 |
町田 洋 学習院大学, 理学部, 教授 (40514740)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | フォノン / 絶縁体結晶 |
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| 研究実績の概要 |
絶縁体における熱伝導は、固体中の原子の集団的な熱振動から作られる擬粒子、フォノンが熱を輸送することで実現する。ただし、フォノンは気体分子のような通常の粒子とは異なり衝突する際に運動量保存則を常には満たさないため、フォノンの集団の振る舞いは気体などの通常の粒子の集まりとは異なっている。ところが、固体ヘリウムなど極めて純良な結晶が得られる特定の物質では、衝突前後でフォノンの運動量が保存される正常散乱が支配的となるため、フォノンが通常の粒子のように振る舞い、まるで流体が熱を伝えているような流体的熱輸送が実現することが知られている。
このフォノンの流体的熱輸送の発現条件は、励起されるフォノンの波数ベクトルが小さくウムクラップ散乱の頻度が十分に低いことに加え、ウムクラップ散乱の頻度よりも高頻度に正常散乱が起こることである。この条件はフォノン流体の実現を必ずしも低温に限定するものではないが、これまでに同現象が10K以下の低温で多く観測されていることから、低温でのみ実現し得る現象であるとの認識が広がっている。
本年度はフォノン流体現象が低温に限定されないことを実証することを目的として、デバイ温度が高いために比較的高温でウムクラップ散乱が凍結することが期待されるサファイヤに着目して研究を行った。サファイヤはAl元素の同位体が安定同位体の27Alのみであることから、純良性の観点からも本研究の目的に適切な物質であると言える。
実験の結果、フォノン流体に特徴的な熱伝導率の温度依存性がT^3よりも早い上昇が50Kに至る比較的高温まで観測され、フォノン流体現象が低温に限定されないことを3次元物質では初めて確認した。
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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
フォノン流体現象が低温に限定されないことの検証を目的として研究を行い、サファイヤ単結晶においてフォノン流体に特徴的な熱伝導率の温度依存性がT^3よりも早く上昇する振る舞いを50Kに至る比較的高温で観測し、フォノン流体現象が低温に限定されず高温においても観測可能であることを3次元物質では初めて実証することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
理想的な絶縁体結晶におけるフォノンの熱伝導は、高温からkinetic領域、Ziman領域、Poiseuille領域、弾道領域の4つの領域でそれぞれに異なる特徴的な温度依存性を示すことが期待される。しかし一つの物質で上記の4領域が観測された例は無い。今後は、最近立ち上げを完了した高温でも輻射による熱損失の影響を極めて小さく抑えることができる熱伝導率の測定手法を用いて、サファイヤ単結晶におけるkinetic領域の観測を室温よりも高温域での測定から目指す。また自作の希釈冷凍機を用いた熱伝導率測定から極低温において弾道領域の観測を行い、サファイヤにおいて4つの伝導領域が存在することを実証するとともに、理想的なフォノンの熱輸送現象が発現するために必要な条件を見出す。
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