共同研究・競争的資金等の研究課題

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年度の定積圧力測定で、圧力容器内のバルク固体水素が空洞構造を生じることに起因する圧力の異常な振る舞いが観測された。この問題を、一定圧力で固体の結晶成長が可能なクライオスタットを開発することで解決した。本年度はこの新しいセットアップを用いて、孔径2.5および5ナノメートルの2種類のナノ多孔質ガラス中水素の定積圧力測定と、温度スイープの際の熱異常の観測を行った。 その結果、多孔体中の液体水素は、その大部分が9-10K付近まで過冷却された後固化することが判明した(固化温度は孔径に依存して少し異なる)。圧力温度相図上の固液共存線は、バルクの固液共存線を低温側にシフトさせたような形をしており、期待した量子効果に伴う三重点の大きな低下(dP/dTの減少)は観測されなかった。しかし、一定の熱流入量で温度スイープをする際に温度変化の異常が幅広い温度域で観測され、その振る舞いから、細孔内の水素の一部分は、7K近くまで過冷却液体として保持されることがわかった。この7Kという温度は、水素に理想気体モデルを適用したときに予想されるボース・アインシュタイン凝縮温度、6.6Kに近い。この少量の水素は、不均一細孔中の、孔径の小さい領域に存在すると考えられる。従って、孔径に分布をもつ多孔質ガラスではなく、均一な孔径を持つ多孔体を用いることで、大きな過冷却さらには量子液体効果が明瞭に観測される可能性がある。これは、今までの超流動水素探索実験では得られなかった、新しくかつ重要な知見である。そこで現在、さらなる過冷却と量子効果の探索を行うべく、均一な一次元細孔を持つ多孔体を用いた実験を準備している。 以上の研究成果は、日本物理学会、量子流体固体国際会議(QFS2006、於京都)等で発表した。現在、成果をまとめた長文の論文を準備中である。

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。 本年度は、研究が大きく進展し、多くの重要な発見があった。研究実績は以下の通りである。 1) ナノ多孔質ガラス中4Heの熱容量測定　熱容量測定を行い、ねじれ振り子で決定した超流動転移温度よりも遙かに高温で、熱容量の極大を観測した。これをもって「局在ボース・アインシュタイン凝縮」の発現を最終的に確認し、本研究の最重要目標を達成した。 2) 1次元ナノ細孔中4Heの超流動　均一な孔径(2.8nm)を持つFSM16多孔体に閉じこめた4Heでは、加圧による超流動転移温度の抑圧が極めて大きく、超流動が約20気圧以上で消失することを発見した。これは1次元束縛ポテンシャル中強相関ヘリウム系の創成に成功したことと、量子相転移への次元性効果発現の可能性を示した画期的な成果である。 3) ナノ多孔質ガラス中4He超流動の周波数効果・試料依存性の研究　ねじれ振り子(周波数 2kHz)と超音波(周波数 9MHz)の同時測定から、超流動転移温度は10MHz以下では周波数に依存せず、むしろ多孔体試料の熱処理の違いにより生じた細孔のナノ構造の違いが、超流動性に重要であることがわかった。これは多孔体の構造の微小な違いが、圧力下4Heの超流動に重大な影響を及ぼすことを示した非常に興味深い成果である。 4) 固体4Heの「超流動」　 ねじれ振り子での追試実験に成功し、さらに超流動特性が固体試料の質に強く依存するという興味深い結果を得た。 5) 気体吸着による多孔体の孔径制御　クリプトン原子を前吸着させることで「実効的細孔径」が小さくなった多孔質ガラスで4Heの超流動特性を測定し、転移温度が低下することを見いだした。これにより、気体吸着による孔径制御法が有効であることが示された。 6) 周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体中4He　前年度より進めていた準備が完了し、現在測定を続けている。 これらの成果は量子流体固体国際会議他多数の学会・研究会で発表され、また論文を執筆中である。

(2006年度概要) 本研究は、ナノ多孔体構造に閉じこめたヘリウム(4He)や水素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、「スーパークリーン強相関ボース粒子系」の新しい物理を開拓・追求するものである。本年度は、それぞれの研究が大きく進展し、多くの重要な発見があった。研究実績は以下の通りである。 1) ナノ多孔質ガラス中4Heの熱容量測定　(白濱・柴山)　熱容量測定を行い、ねじれ振り子で決定した超流動転移温度よりも遙かに高温で、熱容量の極大を観測した。これをもって「局在ボース・アインシュタイン凝縮」の発現を最終的に確認し、本研究の目標の一つを達成した。 2) 固体4Heの「超流動」　(白濱・柴山・鈴木)　 ねじれ振り子での追試実験に成功し、さらに超流動特性が固体試料の質に強く依存するという興味深い結果を得た。多孔体・平板試料を用いた測定を準備中である。 3) ナノ多孔質ガラス中4He超流動の周波数効果・試料依存性の研究 (鈴木・白濱)　ねじれ振り子(周波数 2kHz)と超音波(周波数 9MHz)の同時測定から、超流動転移温度は10MHz以下では周波数に依存せず、むしろ多孔体試料の熱処理の違いにより生じた細孔のナノ構造の違いが、超流動性に重要であることがわかった。 4) 気体吸着による多孔体の孔径制御　(柴山・白濱)　クリプトン原子を前吸着させることで「実効的細孔径」が小さくなった多孔質ガラスで4Heの超流動特性を測定し、転移温度が低下することを見いだした。実験は本年度で終了し、現在論文を執筆中である。 5) ナノ多孔質ガラス中水素(H2)の量子液体状態探索　(白濱・柴山)　定積圧力と熱伝導測定によって水素の状態を調べ、多孔体中の水素の大部分は4K程度の過冷却の後固化してしまうが、少量ながら7K近くまで液体状態を保つ水素が存在することがわかった。この少量の過冷却水素に量子性が見られる可能性があり、現在均一な細孔を持つ多孔体での実験の準備を進めている。論文を執筆中である。 6) 周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体中4He　(白濱・柴山)　前年度より進めていた準備が完了し、測定を開始した。 7) 1次元ナノ細孔に閉じこめた4Heの超流動　(鈴木)　加圧による超流動転移温度の抑圧が極めて大きく、量子相転移が20気圧程度の圧力で起こることを発見した。更に詳細な実験を進めていく。 これらの成果は量子流体・固体国際会議(QFS2006)他多数の学会・研究会で発表され、また論文を執筆中である。

(2006年度概要) 本研究は、ナノ多孔体構造に閉じこめたヘリウム(4He)や水素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、「スーパークリーン強相関ボース粒子系」の新しい物理を開拓・追求するものである。本年度は、それぞれの研究が大きく進展し、多くの重要な発見があった。研究実績は以下の通りである。 1) ナノ多孔質ガラス中4Heの熱容量測定　(白濱・柴山)　熱容量測定を行い、ねじれ振り子で決定した超流動転移温度よりも遙かに高温で、熱容量の極大を観測した。これをもって「局在ボース・アインシュタイン凝縮」の発現を最終的に確認し、本研究の目標の一つを達成した。 2) 固体4Heの「超流動」　(白濱・柴山・鈴木)　 ねじれ振り子での追試実験に成功し、さらに超流動特性が固体試料の質に強く依存するという興味深い結果を得た。多孔体・平板試料を用いた測定を準備中である。 3) ナノ多孔質ガラス中4He超流動の周波数効果・試料依存性の研究 (鈴木・白濱)　ねじれ振り子(周波数 2kHz)と超音波(周波数 9MHz)の同時測定から、超流動転移温度は10MHz以下では周波数に依存せず、むしろ多孔体試料の熱処理の違いにより生じた細孔のナノ構造の違いが、超流動性に重要であることがわかった。 4) 気体吸着による多孔体の孔径制御　(柴山・白濱)　クリプトン原子を前吸着させることで「実効的細孔径」が小さくなった多孔質ガラスで4Heの超流動特性を測定し、転移温度が低下することを見いだした。実験は本年度で終了し、現在論文を執筆中である。 5) ナノ多孔質ガラス中水素(H2)の量子液体状態探索　(白濱・柴山)　定積圧力と熱伝導測定によって水素の状態を調べ、多孔体中の水素の大部分は4K程度の過冷却の後固化してしまうが、少量ながら7K近くまで液体状態を保つ水素が存在することがわかった。この少量の過冷却水素に量子性が見られる可能性があり、現在均一な細孔を持つ多孔体での実験の準備を進めている。論文を執筆中である。 6) 周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体中4He　(白濱・柴山)　前年度より進めていた準備が完了し、測定を開始した。 7) 1次元ナノ細孔に閉じこめた4Heの超流動　(鈴木)　加圧による超流動転移温度の抑圧が極めて大きく、量子相転移が20気圧程度の圧力で起こることを発見した。更に詳細な実験を進めていく。 これらの成果は量子流体・固体国際会議(QFS2006)他多数の学会・研究会で発表され、また論文を執筆中である。

(2006年度概要) 本研究は、ナノ多孔体構造に閉じこめたヘリウム(4He)や水素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、「スーパークリーン強相関ボース粒子系」の新しい物理を開拓・追求するものである。本年度は、それぞれの研究が大きく進展し、多くの重要な発見があった。研究実績は以下の通りである。 1) ナノ多孔質ガラス中4Heの熱容量測定　(白濱・柴山)　熱容量測定を行い、ねじれ振り子で決定した超流動転移温度よりも遙かに高温で、熱容量の極大を観測した。これをもって「局在ボース・アインシュタイン凝縮」の発現を最終的に確認し、本研究の目標の一つを達成した。 2) 固体4Heの「超流動」　(白濱・柴山・鈴木)　 ねじれ振り子での追試実験に成功し、さらに超流動特性が固体試料の質に強く依存するという興味深い結果を得た。多孔体・平板試料を用いた測定を準備中である。 3) ナノ多孔質ガラス中4He超流動の周波数効果・試料依存性の研究 (鈴木・白濱)　ねじれ振り子(周波数 2kHz)と超音波(周波数 9MHz)の同時測定から、超流動転移温度は10MHz以下では周波数に依存せず、むしろ多孔体試料の熱処理の違いにより生じた細孔のナノ構造の違いが、超流動性に重要であることがわかった。 4) 気体吸着による多孔体の孔径制御　(柴山・白濱)　クリプトン原子を前吸着させることで「実効的細孔径」が小さくなった多孔質ガラスで4Heの超流動特性を測定し、転移温度が低下することを見いだした。実験は本年度で終了し、現在論文を執筆中である。 5) ナノ多孔質ガラス中水素(H2)の量子液体状態探索　(白濱・柴山)　定積圧力と熱伝導測定によって水素の状態を調べ、多孔体中の水素の大部分は4K程度の過冷却の後固化してしまうが、少量ながら7K近くまで液体状態を保つ水素が存在することがわかった。この少量の過冷却水素に量子性が見られる可能性があり、現在均一な細孔を持つ多孔体での実験の準備を進めている。論文を執筆中である。 6) 周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体中4He　(白濱・柴山)　前年度より進めていた準備が完了し、測定を開始した。 7) 1次元ナノ細孔に閉じこめた4Heの超流動　(鈴木)　加圧による超流動転移温度の抑圧が極めて大きく、量子相転移が20気圧程度の圧力で起こることを発見した。更に詳細な実験を進めていく。 これらの成果は量子流体・固体国際会議(QFS2006)他多数の学会・研究会で発表され、また論文を執筆中である。

(2006年度概要) 本研究は、ナノ多孔体構造に閉じこめたヘリウム(4He)や水素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、「スーパークリーン強相関ボース粒子系」の新しい物理を開拓・追求するものである。本年度は、それぞれの研究が大きく進展し、多くの重要な発見があった。研究実績は以下の通りである。 1) ナノ多孔質ガラス中4Heの熱容量測定　(白濱・柴山)　熱容量測定を行い、ねじれ振り子で決定した超流動転移温度よりも遙かに高温で、熱容量の極大を観測した。これをもって「局在ボース・アインシュタイン凝縮」の発現を最終的に確認し、本研究の目標の一つを達成した。 2) 固体4Heの「超流動」　(白濱・柴山・鈴木)　 ねじれ振り子での追試実験に成功し、さらに超流動特性が固体試料の質に強く依存するという興味深い結果を得た。多孔体・平板試料を用いた測定を準備中である。 3) ナノ多孔質ガラス中4He超流動の周波数効果・試料依存性の研究 (鈴木・白濱)　ねじれ振り子(周波数 2kHz)と超音波(周波数 9MHz)の同時測定から、超流動転移温度は10MHz以下では周波数に依存せず、むしろ多孔体試料の熱処理の違いにより生じた細孔のナノ構造の違いが、超流動性に重要であることがわかった。 4) 気体吸着による多孔体の孔径制御　(柴山・白濱)　クリプトン原子を前吸着させることで「実効的細孔径」が小さくなった多孔質ガラスで4Heの超流動特性を測定し、転移温度が低下することを見いだした。実験は本年度で終了し、現在論文を執筆中である。 5) ナノ多孔質ガラス中水素(H2)の量子液体状態探索　(白濱・柴山)　定積圧力と熱伝導測定によって水素の状態を調べ、多孔体中の水素の大部分は4K程度の過冷却の後固化してしまうが、少量ながら7K近くまで液体状態を保つ水素が存在することがわかった。この少量の過冷却水素に量子性が見られる可能性があり、現在均一な細孔を持つ多孔体での実験の準備を進めている。論文を執筆中である。 6) 周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体中4He　(白濱・柴山)　前年度より進めていた準備が完了し、測定を開始した。 7) 1次元ナノ細孔に閉じこめた4Heの超流動　(鈴木)　加圧による超流動転移温度の抑圧が極めて大きく、量子相転移が20気圧程度の圧力で起こることを発見した。更に詳細な実験を進めていく。 これらの成果は量子流体・固体国際会議(QFS2006)他多数の学会・研究会で発表され、また論文を執筆中である。

(2006年度概要) 本研究は、ナノ多孔体構造に閉じこめたヘリウム(4He)や水素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、「スーパークリーン強相関ボース粒子系」の新しい物理を開拓・追求するものである。本年度は、それぞれの研究が大きく進展し、多くの重要な発見があった。研究実績は以下の通りである。 1) ナノ多孔質ガラス中4Heの熱容量測定　(白濱・柴山)　熱容量測定を行い、ねじれ振り子で決定した超流動転移温度よりも遙かに高温で、熱容量の極大を観測した。これをもって「局在ボース・アインシュタイン凝縮」の発現を最終的に確認し、本研究の目標の一つを達成した。 2) 固体4Heの「超流動」　(白濱・柴山・鈴木)　 ねじれ振り子での追試実験に成功し、さらに超流動特性が固体試料の質に強く依存するという興味深い結果を得た。多孔体・平板試料を用いた測定を準備中である。 3) ナノ多孔質ガラス中4He超流動の周波数効果・試料依存性の研究 (鈴木・白濱)　ねじれ振り子(周波数 2kHz)と超音波(周波数 9MHz)の同時測定から、超流動転移温度は10MHz以下では周波数に依存せず、むしろ多孔体試料の熱処理の違いにより生じた細孔のナノ構造の違いが、超流動性に重要であることがわかった。 4) 気体吸着による多孔体の孔径制御　(柴山・白濱)　クリプトン原子を前吸着させることで「実効的細孔径」が小さくなった多孔質ガラスで4Heの超流動特性を測定し、転移温度が低下することを見いだした。実験は本年度で終了し、現在論文を執筆中である。 5) ナノ多孔質ガラス中水素(H2)の量子液体状態探索　(白濱・柴山)　定積圧力と熱伝導測定によって水素の状態を調べ、多孔体中の水素の大部分は4K程度の過冷却の後固化してしまうが、少量ながら7K近くまで液体状態を保つ水素が存在することがわかった。この少量の過冷却水素に量子性が見られる可能性があり、現在均一な細孔を持つ多孔体での実験の準備を進めている。論文を執筆中である。 6) 周期的多孔構造を持つ結晶性ナノ多孔体中4He　(白濱・柴山)　前年度より進めていた準備が完了し、測定を開始した。 7) 1次元ナノ細孔に閉じこめた4Heの超流動　(鈴木)　加圧による超流動転移温度の抑圧が極めて大きく、量子相転移が20気圧程度の圧力で起こることを発見した。更に詳細な実験を進めていく。 これらの成果は量子流体・固体国際会議(QFS2006)他多数の学会・研究会で発表され、また論文を執筆中である。

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」と呼ぶべき新奇な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)の成果については、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。