2016 Fiscal Year Annual Research Report
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15H03684
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福山 寛 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00181298)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村川 智 東京大学, 低温センター, 准教授 (90432004)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子液晶 / 量子スピン液体 / 2次元フェルミ系 / 単原子層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までに取得を終えていた、ZYXグラファイト基板を用いた吸着第2層目の4Heおよび3Heの高温比熱データの詳細な解析を行い、量子相図を完成させてPhysical Review B誌に発表した。この研究成果は、2次元He研究の歴史の中でも重要な一里塚となるものである。温度を上げて2次元古典固体を融解させるとき、並進対称性だけが回復し、回転対称性は破れたままの中間相（ヘキサティック相）を経由した、2段階転移で等方的な液相へ転移するKosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young （KTHNY）モデルが近年広く受け入れられている。ここでヘキサティック相は液晶の一種である。我々は、量子性の高い2次元He系では、量子ゆらぎのために転位対が絶対零度でも解離し固体相が不安定化している可能性が高いことを見出した。高密度の量子固相と低密度の量子液相の中間密度域で量子ヘキサティック相を発見したという主張である。絶対零度で粒子面密度を下げてゆくと、熱揺らぎではなく量子ゆらぎで2次元固体が量子融解する際、中間相として量子ヘキサティック相が現れたと考えている。これは「量子液晶」という物質の新しい状態を見出したことを示す。
HD2分子層上の3He単原子層の超低温度域での磁気比熱測定を進め、この系でも3Heは自己凝集する様子を捉えることができた。我々自身の先行研究とは下地原子層の作る吸着ポテンシャルの周期や振幅が大きく異なるにも関わらず類似の結果が得られたことは、純粋2次元空間で3Heが気液相転移するという従来の我々の主張を支持する結果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成28年9月頃から、本研究の主力実験装置である銅核スピンの断熱消磁冷凍機の予冷段である希釈冷凍機の運転が時々不安定になるトラブルが発生するようになった。それから数ヶ月間を費やして不調の原因を探り、最終的に3He循環ポンプ（ライボルト社D65BHE3型：排気速度1000 L/min、購入後16年）からの、3Heガスの断続的な漏出が原因であることが判明した。メーカーによるオーバーホール修理と漏出した3Heガスの補充作業を行い、5ヶ月後にほぼ性能が回復した。この事故で、進行中であったHD2分子層上の3He単原子層の0.3 mKまでの磁気比熱測定を年度内に終わらせることができなかった。
また、これまでZYX基板を使った新しい比熱測定セルの設計・製作を担当してきた連携研究者（中村）が本人都合で平成29年1月より、本研究への参画を終了することになったため、同セルの完成も年度内に終了できなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
核断熱消磁冷凍機の予冷段である希釈冷凍機の3He循環ポンプの故障を修理できたことで、HD2分子層上の3He単原子層の0.3 mKまでの磁気比熱測定を続行する。現在は、一旦、面密度を上げながら一連の密度依存性を測定した後、導入した3Heを再度、低温で真空引きし、2巡目の密度変化のデータを取得しているところで、これを完遂する。3He試料の真空引きと再導入の過程で、必然的にHD膜も作成し直すことになるので、下地層の乱れの影響がどの程度あるのかを見積もることができるであろう。また、そうした補正を超えて、真に再現性のある低温磁気比熱の温度依存性を決定することは、1巡目の試料シリーズで見つかった、新奇量子スピン液体相の低温比熱の奇妙な温度依存性（温度の2/3乗に比例する）が正しいかどうかの検証にもなる。
研究体制を再構築して、ZYX基板を使った新しい比熱測定セルの製作を行いたい。セル外壁は、低温での物性評価の結果が良好だったシアネートエステル樹脂で製作する予定である。
NMR測定用の低温プリアンプの試作については、進展があまりない。時間的な問題や上記した新発見の量子スピン液体相のNMR測定を急ぎたいこともあり、これを一旦中段して、従来のGrafoil基板を使った低温プリアンプを用いないパルスNMR測定に切り替える方針を検討している。ただし、その場合でも、以前我々のグループで使用していたNMR試料セルは渦電流発熱が大きく、超低温度での測定頻度が上げられないという問題点があった（スピン－スピン緩和時間はT = 0.1 mKで24時間に1測定しかできなかった）。今回は、磁場分布の徹底した数値計算を行い、渦電流発熱を低減し、測定の歩留まりを上げたいと考えている。
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Research Products
(6 results)
