グラファイト基板上の 4 He 多原子膜のすべり摩擦の測定 . 27

2008年，Hosomiらは，グラファイト表面上の⁴He多原子層膜のすべり摩擦を QCM法により実験を行った．グラファイト試料はGrafoilを利用し，5 MHz水晶 振動子にAgによる熱圧着で準備している．[13]

図2.14に，いくつかの温度について共振振動数の変化f−f₀とエネルギー散逸 の大きさに関係するQの逆数の変化∆(1/Q)の面密度依存性と図2.14に，面密度 ごどの共振振動数の温度変化を示した．⁴He膜がグラファイト基板の振動に完全 に追従するときの質量感度は4.2 Hz·atoms⁻¹·nm⁻²であり，図2.14の(a)の実線 で表されている．また(b)の実線は粘性摩擦を仮定したときの最大のQ値の逆数 の変化である．また，測定の振動振幅は0.4 nm，速度振幅は12 mm/sである．

図2.14(a)から分かるように面密度が小さいといは，共振振動数の減少が観測さ

れない．その後，面密度が１層完了程度になった共振振動数は急激に減少し，実 線に近づく．Qの逆数の変化についても１原子層層完了程度から散逸が大きくな る．このことから１原子層未満の面密度ではHe膜の摩擦力が小さく，基板振動に 追従しないことが分かる２原子層膜でも共振振動数とQの逆数は、１原子層層完 了から少し変化するもののほぼ一定である．これはで第２原子層が第１原子層の 上をすべっていることを意味する．さらに，Hosomiらは原子層間のスリップ時間 を求めており，２原子層膜ではし基板と１原子層のスリップ時間は10 nsに対し て，１原子層と２原子層間のスリップ時間は100 nsと１桁大きいと報告している．

II+]SSPѬ4

DWRPVQP DUHDO GHQVLW\

. . .

D

E ѬI_PD[

Ѭ4PD[

図 2.14: (a)グラファイト基板上⁴He吸着膜の面密度変化に対する共振振動数の変 化，(b)Q値の逆数の変化．[33]

2.2. グラファイト基板上のHe吸着膜のすべり摩擦 29

0 1 2

0 40 80

T (K)

1416 18 20 2224 2628

T_S

T_C

one-atom thick filmtwothreefourfive

3634 3840 30 3231

15

11 0 atoms/nm²

freq. - 4947440 (Hz)

図 2.15: 共振振動数の面密度ごとの温度変化．[33]

2.2.3 低摩擦の準安定状態の観測

前節で説明した⁴He多原子膜のすべり摩擦の面密度依存性の報告以前の2007 年，Hosomiらは⁴He膜の低摩擦の準安定状態を報告している．[37] 図2.16で示 されるように，２原子層膜以上では低温での共振振動数の上昇，つまり摩擦力の 現象が観測される．この低温での共振振動数の上昇は，振動新振幅が大きい条件 のときに起こることが観測された．図2.16に，低温で振動振幅を切り替えたとき の共振振動数の温度変化を示した．図から分かるように，低振幅の温度変化の実 験では，低温での共振振動数の上昇が観測されないにも関わらす，低温で大振幅 から小振幅に切り替えると共振振動数の上昇が観測される．これは小振幅の低摩 擦状態が準安定状態であることを意味する．

0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 T (K)

(a)

(c) (d)

Change in freq. (Hz)Change in freq. (Hz)Change in Q-1 (ppm)Change in Q-1 (ppm)

TS

TS

0 10 20 30

0 10 20 30-2 0 2 4

-2 0 2 4

0.6 nm 0.2 nm

0.2 nm 0.2 nm

(b)

図 2.16: 小振幅の低摩擦状態の履歴依存性．[37]

Hosomiらは引き続き，小振幅での低摩擦の準安定状態の緩和の測定を行って

いる．図2.17に，いくつかの温度で大振幅から小振幅へと振幅を切り替えたとき

の周波数(摩擦力)の時間変化を示した．図から分かるように，低温で緩和時間は

急激に長くなる．この緩和時間の温度依存性の解析より，緩和時間は定性的には Arrheniusの式に従う．

2.2. グラファイト基板上のHe吸着膜のすべり摩擦 31

t (s)

0.50 K 0.55 K

0.575 K

0.60 K 0.65 K

0.70 K

0â10⁴ 1â10⁴ 2â10⁴ 3â10⁴

∆ freq. (Hz)

2 6 8 10 18 14

4

0.6 0.8 1 2 3

| F

F

|

図 2.17: 小振幅の低摩擦の準安定状態の緩和．面密度23.0 atoms/nm²，振動振幅 が1.0 nmから0.2 nmに切り替え．[37]