Research projects

本研究は、新しい超流動およびボース-アインシュタイン凝縮現象の発見を目指し、ナノメートルサイズの微細空間に閉じこめた水素分子(H2)に期待される量子効果を、圧力温度相図の決定と熱的・動力学的特性の測定から実験的に調べるものである。具体的には、水素をナノ細孔に閉じこめることで固化が抑制されて過冷却液体状態が実現し、三重点の温度が大きく低下、場合によってはヘリウムの場合と同様に、三重点が消失する可能性があると予想している。 平成17年度はまずこの過冷却効果を調べるため、2ナノメートル程度の微細孔を持つナノ多孔質ガラス中の水素の圧力温度相図を定積圧力の精密測定により作成することを試みた。その結果、バルク固液共存線(13.8K付近)よりも低温の9.5Kおよび11.6Kで、圧力が異常な極小を持つことを見いだした。この結果は多孔質ガラス中の水素が過冷却状態にあり、かつ何らかの相転移等の状態変化を起こしている可能性を示唆するものである。しかし現状の圧力測定装置では、多孔質ガラス外部のバルク水素が固化する際の圧力の大きな減少を避けられず、圧力セル内の固体水素がひび割れや空洞を有している可能性がある。この問題を解決して正確な圧力測定を行うため、現在圧力測定セルの改良を行っている。この作業は本年度中に完了し、平成18年度はこの改良型装置により正確な圧力測定を行う。さらにこの結果に基づき、規則的な3次元細孔ネットワークを持つナノ多孔体を用いた実験や、ねじれ振り子法による超流動の直接探索を検討している。 以上の研究成果は、平成17年11月に行われた東京大学物性研究所短期研究会「固体における水素の科学」において発表し、また平成18年3月の日本物理学会年次大会、同年8月の量子流体固体国際会議(QFS2006、於京都)で発表の予定である。また学術論文誌への投稿を準備中である。

本研究は、ナノ多孔体構造に強く閉じこめたヘリウム(4He)が示す特異な量子多体現象を多様な実験により明らかにし、新しい「強相関ボース粒子系」の量子物理学を開拓・追求するものである。 前年度に引き続き研究は順調に進んでいる。本年度の研究実績は以下の通りである。 1) 孔径2.5nmのナノ多孔質ガラスに閉じこめた4Heの定積圧力測定を、新しく開発した容積可変な圧力セルを用いて行い、0.5K以上で固体液体転移線を確定した。前年度までの研究で推測したように、超流動相と固体(結晶)相の間に、「局在ボース・アインシュタイン凝縮状態」と呼ぶべき状態が存在する可能性がさらに強まった。 2) 前年度に開発した超高感度・超低振幅の連続波型超音波測定法により、ナノ多孔質ガラス中4Heの圧力温度相図を調べたところ、ねじれ振り子法による結果と異なり、加圧による超流動状態の抑圧が小さいことが明らかになった。これは測定周波数の違いにより系の超流動応答が異なることを示唆しており非常に興味深い成果である。この結果を詳細に調べるため、超音波とねじれ振り子の測定を単一の多孔体試料に対して同時に行う実験を準備中である。 3) 前年度に準備した比熱測定装置と希釈冷凍装置により、多孔質ガラス中加圧4Heの比熱測定を行った。比熱測定は交流法を用いたが、多孔質ガラスの熱伝導や外部環境からの雑音に起因して、測定精度に問題があることが明らかになった。そこで、擬断熱法および緩和法による比熱測定の準備を行った。平成18年度に本格的に測定を開始する。 4) 周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体を用いた実験の準備を行った。孔径2.9nmの規則正しい3次元細孔ネットワークをもつナノ多孔体(HMM-3)に対し、超流動特性・圧力測定を進めていく。 なお上記1、2)の成果について、論文および低温物理学国際会議(LT24)での招待講演等で発表した。

本研究は、ナノ多孔体構造に強く閉じこめたヘリウム(4He)が示す特異な量子多体現象を多様な実験により明らかにし、新しい「強相関ボース粒子系」の量子物理学を開拓・追求するものである。 これまでに研究は順調に進んでいる。本年度の研究実績は以下の通りである。 1) 孔径2.5nmのナノ多孔質ガラスに閉じこめた4Heの定積圧力測定を行い、固体液体転移線を確定して圧力温度相図の全容を解明した。その結果、超流動相と固体(結晶)相の間に、超流動でも固体でもない低エントロピーの状態が存在することを明らかにした。この状態は、閉じこめられた4Heが細孔サイズのスケールでローカルにボース・アインシュタイン凝縮(BEC)を起こした状態であるという解釈を提案している。このローカルBECの実体はボース・ハバード模型などで理論的に提唱されている「ボース・グラス」状態である可能性がある。現在更に高精度での相図決定を試みている。 2) 超高感度・超低振幅の連続波型超音波測定法を開発し、上記ナノ多孔質ガラス中4Heの超流動特性の測定を開始した。測定は現在も進行中であるが、これまでの音速測定から得られる超流動密度の温度依存性が、ねじれ振り子法による結果と異なることが明らかになった。これは測定周波数の違いによるものと推測され、現在理論的な考察を進めている。またこの方法で、最近関心を呼んでいる「超流動固体」状態の探索を行っている。 3) 比熱・圧力を同時に測定可能なセルの製作を行った。同時に本科研費で購入した希釈冷凍機での予備実験を終え、今後本格的な実験を行う。 4) 上記の研究が順調に進んでいるので、平成17年度の研究計画を前倒しして、周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体を用いた実験の準備を行った。孔径2.9nmの規則正しい3次元細孔ネットワークをもつHMM-3に対し、超流動特性・圧力測定を進めていく。

本研究では、2次元電子系の量子固体・液体状態を実現・観測するために、高移動度で電子密度を広範に(106 ~ 1012 cm-2)変えられる2次元電子系をヘリウム薄膜上につくり、その交流電気伝導度と高周波プラズマ共鳴特性を極低温度域で測定することを目標とした。 研究室が発足して間もない時期に助成をいただき、最初の2年で測定系の立ち上げを行った。本研究助成により、電気伝導度測定用エレクトロニクス、ヘリウム4クライオスタット、超伝導磁石(ヘリウムクライオスタットおよび希釈冷凍機内部に各1台設置)、ヘリウムガス操作システムといった基本的実験設備のほとんど全てを準備することができた。 次に、2次元電子系を安定に保持し高い伝導度の状態を探すため、ヘリウムの膜厚を制御する手法として、電極全体をピエゾ素子の直線モーターで上下させるという着想を本研究開始直後に得た。この新しい方法で、1ナノメートルのステップで液面の高さを調節できる交流伝導度測定セルを開発することに成功した。誘電体基盤として平坦なサファイアを用いてその上に2次元電子系をつくり、伝導度の測定を極低温下で行った。測定は想像以上に難しいものであった。2年以上にわたり様々な改良を加えながら測定を行った結果、表面電子のある部分が固体基盤上に強く固定されて局在し、伝導に寄与しなくなることが判明した。この局在した電子の数や位置は測定のたびに異なり、これが伝導度の再現性に重大な影響を及ぼすことがわかった。 この問題の解決へのアプローチとして、局在電子を減らすことを試みるよりは、局在せずに伝導に寄与しうる電子のみを局所的に調べる手法を開発する方が賢明であると判断した。そこで表面電子の状態を局所的に捉えうるプローブとして、私たちは走査プローブ顕微鏡に着目した。走査プローブ顕微鏡は、鋭い探針を物質表面上に近づけて表面と平行方向に走査させることで、表面原子像や表面の凹凸、さらには電子状態など様々な物理的性質を調べることができる。これを極低温下で動作させることができれば、ヘリウム薄膜表面上2次元電子系を局所的に調べうる重要なプローブとなりうる。特に、表面上電子と金属探針間のクーロン力を利用した静電気力顕微鏡を開発できれば、局在・非局在電子の直接的な検知が可能になる。一般に走査プローブ顕微鏡を極低温下で動作させることは難しいが、私たちは伝導度測定装置の製作で得たノウハウを生かし、絶対温

本研究では、2次元電子系の量子固体・液体状態を実現・観測するために、高移動度で電子密度を広範に(106 ~ 1012 cm-2)変えられる2次元電子系をヘリウム薄膜上につくり、その交流電気伝導度と高周波プラズマ共鳴特性を極低温度域で測定することを目標とした。 研究室が発足して間もない時期に助成をいただき、最初の2年で測定系の立ち上げを行った。本研究助成により、電気伝導度測定用エレクトロニクス、ヘリウム4クライオスタット、超伝導磁石(ヘリウムクライオスタットおよび希釈冷凍機内部に各1台設置)、ヘリウムガス操作システムといった基本的実験設備のほとんど全てを準備することができた。 次に、2次元電子系を安定に保持し高い伝導度の状態を探すため、ヘリウムの膜厚を制御する手法として、電極全体をピエゾ素子の直線モーターで上下させるという着想を本研究開始直後に得た。この新しい方法で、1ナノメートルのステップで液面の高さを調節できる交流伝導度測定セルを開発することに成功した。誘電体基盤として平坦なサファイアを用いてその上に2次元電子系をつくり、伝導度の測定を極低温下で行った。測定は想像以上に難しいものであった。2年以上にわたり様々な改良を加えながら測定を行った結果、表面電子のある部分が固体基盤上に強く固定されて局在し、伝導に寄与しなくなることが判明した。この局在した電子の数や位置は測定のたびに異なり、これが伝導度の再現性に重大な影響を及ぼすことがわかった。 この問題の解決へのアプローチとして、局在電子を減らすことを試みるよりは、局在せずに伝導に寄与しうる電子のみを局所的に調べる手法を開発する方が賢明であると判断した。そこで表面電子の状態を局所的に捉えうるプローブとして、私たちは走査プローブ顕微鏡に着目した。走査プローブ顕微鏡は、鋭い探針を物質表面上に近づけて表面と平行方向に走査させることで、表面原子像や表面の凹凸、さらには電子状態など様々な物理的性質を調べることができる。これを極低温下で動作させることができれば、ヘリウム薄膜表面上2次元電子系を局所的に調べうる重要なプローブとなりうる。特に、表面上電子と金属探針間のクーロン力を利用した静電気力顕微鏡を開発できれば、局在・非局在電子の直接的な検知が可能になる。一般に走査プローブ顕微鏡を極低温下で動作させることは難しいが、私たちは伝導度測定装置の製作で得たノウハウを生かし、絶対温

本研究では、2次元電子系の量子固体・液体状態を実現・観測するために、高移動度で電子密度を広範に(106 ~ 1012 cm-2)変えられる2次元電子系をヘリウム薄膜上につくり、その交流電気伝導度と高周波プラズマ共鳴特性を極低温度域で測定することを目標とした。 研究室が発足して間もない時期に助成をいただき、最初の2年で測定系の立ち上げを行った。本研究助成により、電気伝導度測定用エレクトロニクス、ヘリウム4クライオスタット、超伝導磁石(ヘリウムクライオスタットおよび希釈冷凍機内部に各1台設置)、ヘリウムガス操作システムといった基本的実験設備のほとんど全てを準備することができた。 次に、2次元電子系を安定に保持し高い伝導度の状態を探すため、ヘリウムの膜厚を制御する手法として、電極全体をピエゾ素子の直線モーターで上下させるという着想を本研究開始直後に得た。この新しい方法で、1ナノメートルのステップで液面の高さを調節できる交流伝導度測定セルを開発することに成功した。誘電体基盤として平坦なサファイアを用いてその上に2次元電子系をつくり、伝導度の測定を極低温下で行った。測定は想像以上に難しいものであった。2年以上にわたり様々な改良を加えながら測定を行った結果、表面電子のある部分が固体基盤上に強く固定されて局在し、伝導に寄与しなくなることが判明した。この局在した電子の数や位置は測定のたびに異なり、これが伝導度の再現性に重大な影響を及ぼすことがわかった。 この問題の解決へのアプローチとして、局在電子を減らすことを試みるよりは、局在せずに伝導に寄与しうる電子のみを局所的に調べる手法を開発する方が賢明であると判断した。そこで表面電子の状態を局所的に捉えうるプローブとして、私たちは走査プローブ顕微鏡に着目した。走査プローブ顕微鏡は、鋭い探針を物質表面上に近づけて表面と平行方向に走査させることで、表面原子像や表面の凹凸、さらには電子状態など様々な物理的性質を調べることができる。これを極低温下で動作させることができれば、ヘリウム薄膜表面上2次元電子系を局所的に調べうる重要なプローブとなりうる。特に、表面上電子と金属探針間のクーロン力を利用した静電気力顕微鏡を開発できれば、局在・非局在電子の直接的な検知が可能になる。一般に走査プローブ顕微鏡を極低温下で動作させることは難しいが、私たちは伝導度測定装置の製作で得たノウハウを生かし、絶対温