【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17H02925 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性物理 / 低温物性 / ヘリウム / 超流動 / 弾性 / 量子相転移 / グラファイト / 窒化ホウ素 / ヘリウム薄膜 / 水素 / 超固体 / グラフェン / 薄膜

【研究成果の概要】

2次元量子多体系であるグラファイト(Gr)表面上ヘリウム(4He)薄膜の弾性率が低温で増大する「弾性異常」を発見し、更に吸着第2層で超流動と剛性が共存することを示唆する結果を得た。弾性異常の存在から、Gr上He薄膜が他He薄膜と同様に、局在状態と空間的に拡がった励起状態を有し、吸着量の増加による超流動の発現は局在状態と拡がった状態間の「量子相転移」と解釈できることを明らかにした。これはヘリウム薄膜の諸性質が「量子相転移」描像で普遍的に理解できることを示す重要な成果である。また六方晶窒化ホウ素(hBN)表面上4He薄膜の弾性と超流動性がGr上薄膜と定性的に同様の挙動を示すことも明らかにした。

【研究の社会的意義】

グラファイト(Gr)上ヘリウム(He)薄膜は最も古くから知られる2次元系であるが、近年の2次元系研究潮流の中で改めて注目されている。特に超流動固体や量子スピン液体などの新奇量子相の発現が期待される。本研究は弾性測定によりHe薄膜のエネルギー構造を解明するというユニークなアプローチで、局在状態と拡がった状態間の量子相転移描像が他のHe薄膜同様に成り立つことを明らかにした。また超流動性と剛性の共存を示唆する結果を得ており、超流動固体や量子液晶の新しい例として学術的重要性は高い。さらに六方晶窒化ホウ素表面上He薄膜の実験を初めて行い、新しい2次元量子多体系を開拓しつつある。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17540313 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超流動ヘリウム / 準安定 / 固液転移 / 固化 / ロトン / 一次相転移 / 巨視的量子トンネリング / ヘリウム4 / ヘリウム / 固着 / グラファイト / グラフォイル / He-4 / 超流動 / 薄膜 / 固層 / 吸着膜 / ディスロケーション / QCM / 摩擦 / 量子固体 / 核形成 / 核生成 / 4He

【研究成果の概要】

ヘリウム4(He-4)は低温で超流動という、粘性がなく熱を通しやすい液体に転移する。超流動He-4は常圧では凍らないが、25気圧以上の圧力をかけると凍ることが知られる。ゆっくりと加圧し、25気圧を越えることで準安定な超流動He-4を得る。本研究では、超流動He-4に特徴的な短波長音波(ロトン)が、準安定状態で圧力とともにどのように変化するかを、固体転移と関連して明らかにした。圧力を140気圧程度まで上げていくと、ロトンのエネルギーはゼロとなり、超流動状態は不安定になって必ず固化することを示した。この結果は、ミラノ大学の量子シミュレーションと定量的に一致した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】3,860千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 360千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】11874048 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超流動 / 水素 / 薄膜 / アルカリ金属

【研究成果の概要】

本研究は、新しい超流動現象の発見を目指し、アルカリ金属を微少量蒸着した固体基盤に物理吸着した水素分子薄膜の超流動の探索を実験的に行うものである。
分子状水素薄膜が示しうる新しい超流動現象を実験的に探索することを目的として、
(1)超流動転移を高い精度で測定できる高感度ねじれ振動子、および振動子にアルカリ金属を低温で微少量蒸着できる蒸着源の開発
(2)アルカリ金属を上記方法で微少量蒸着した基板に水素分子を物理吸着させ、ねじれ振動子法による水素の超流動の探索
を行い、以下のような成果を得た。
(1)平成11年度に引き続き、アルミニウム5056合金、及びベリリウム銅合金を用いたねじれ振動子装置を開発し、50mKの極低温度までの動作試験を行い、振動子のQ値が3x10^6という高い値を得た。さらにアルカリ金属低温蒸着装置を製作した。
(2)続いてアルカリ金属(セシウム)を約5原子層蒸着したアルミニウム基板に水素分子を吸着させ、上記ねじれ振り子を用いた超流動転移の探索を行った。これまで、水素分子吸着量が0.5〜1.0原子層の被覆率領域について4.2Kまでの温度域で超流動探索を行い、超流動転移を示す共振周波数・振幅の異常は観測されなかった。従ってこの温度域・被覆率領域においては超流動状態が存在しないと結論した。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】500千円 (直接経費: 500千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】10044065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヘリウム3 / 超流動 / 薄膜 / 2次元系 / 第3音波 / 2次元電子 / 量子液体

【研究成果の概要】

本研究は,液体Heの表面に乗った2次元電子系や液面下に蓄えられたイオン,液体He表面に吸着した原子状水素,超流動He膜を伝播する第3音波など,単一の表面で十分な感度を有する現象を総合的に用いて超流動3He薄膜の研究に道標を立てることを目指した.そのために,世界的にこれらの研究をリードするグループ間で共同研究を企画し,2年間に亙って有意義なアイデアの交換と相互作用を活性化させた.
これまでの研究成果はバルク液体の表面と^4He薄膜での実験に関するものが,多いが,予想もしなかった現象の発見が多くなされた.これらの成果を^3Heに応用し超流動^3He膜での画期的な研究成果が現われることが,多いに期待される.具体的な研究業績は,He液面上2次元電子の非線形伝導に関する研究,超流動^3He表面上の2次元電子に関する実験,超流動^4He薄膜の第3音波の実験,超流動^3He薄膜に流れを誘起して超流動特性を調べる手段の開発,^4He薄膜を用いた1次元電子系の実現,He液面上に吸着した原子状水素と2次元電子の反応の実験,^3He液面下に蓄積したイオンの伝導度測定などである.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】9,600千円 (直接経費: 9,600千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】09640420 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ジョセフリン効果 / 薄膜 / 超流動 / ヘリウム4 / ジョセフソン効果 / 走査トンネル顕微鏡 / 2次元 / 位相 / 量子液体

【研究成果の概要】

本研究は、超流動ヘリウム4薄膜において新しいタイプのジョセフソン接合を作製することを目指して行われた。超流動ヘリウム4のジョセフソン接合としてどのような実験系が考えられるか、さらにそれらの系でのジョセフソン効果の観測によりどのような興味深い物理が期待されるか、について、理論的考察を行った。液体ヘリウムが電荷を持たないことから、超伝導のジョセフソン効果とは異なる種々の現象が観測されうることを予想した。
ヘリウム薄膜でのジョセフソン効果の観測のためブレークジャンクションの製作を行い、電子のトンネル伝導の測定を試みた。数種類のジャンクションを製作し伝導測定を試みたが、トンネル伝導を観測するに至らなかった。この原因として、破断面の距離が機械的、電気的ノイズの影響を受け一定にならないこと等が考えられる。これらの問題点を解決するため現在、新たに低温STM装置の製作を行っており、これを用いて同様の実験を進めつつある。
また、新たに多孔性物質をバルクな液体ヘリウム4のジョセフソン接合として用いるという実験を提案し、接合の作製を進めている。ナノメートルサイズの細孔を持ち、かつ同程度の薄さに微細加工が可能な多孔質としてポーラスシリコンを選び、作製および細孔径等のキャラクタリゼーションを進めている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】09554017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヘリウム3 / 超流動 / インターディジタル電極 / 第3音波 / 量子液体 / 液体ヘリウム3 / 薄膜 / 2次元

【研究成果の概要】

超流動^3Heは異方的な性質をしめすP波超流動であるので,簿膜等の2次元系の振舞には興味が持たれる.この研究では超流動^3HeHe薄膜の物性を研究するための新しい手法として,インターディジタル(ID)電極を用いる実験方法の確立を目的とした.
電子線描画装置を用いて,ID電極を作成し、第3音波検出器を作成した.ID電極は2×2mm^2の領域に太さ10μmのアルミニウム細線を20μm間隔で平行に並ぺた櫛形の形状をもつ電極である.この電極に交互に電位差をあたえることで電極間に電場を集中的に発生させ,電場の力を利用して液体He膜を駆動する.
このID電極を用いて,超流動ヘリウム3薄膜上での第3音波検出の実験を行い,超流動に特有のフィルムフローという現象を観測することができた.
超流動ヘリウム3薄膜での第3音波探索は,10kHz程度の周波数領域で,〜10μm波長の第3音波に対して行ったが,検出には至っていない.境界による準粒子散乱によると思われる減衰の効果が依然として大きく,共鳴が見えないものと推察される.周波数を下げた測定を,より低い温度で行う必要があると考えられる.
本研究の目的である,研究手法の開発にはほぼ目処がつき,この方法を用いて超流動^3He薄膜の第3音波を検出する実験を本格的に開始する段階に来た.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】13,000千円 (直接経費: 13,000千円)