研究室ガイダンス(H28)福山研.pdf

1

1.

2次元量子液体・固体(

3

_He,

4

_He)

• 超固体

• 量子スピン液体

• 単原子層液体

3

_{Heの超流動}

2.

グラフェン

• ジグザグ端電子状態

• カーボンナノチューブ(CNT)

3.

極低温技術の開発

• 連続冷却型核断熱消磁冷凍機

• SPM用ヘリウム循環冷却システム

平成28年 5月27-28日

福山研究室の紹介

東京大学 大学院理学系研究科 物理学専攻

新

新しい量子相を求めて

... ヘリウムの2次元系に注目

次元を下げると量

量子性がより高く、フ

フ

ラストレーションもより強くなるので、

3次元系では実現しなかった

概念的に全

く新しい量子相

が現れる。

次元を下げ

なぜ？

原子スケールで平坦なグラファイト表面に

低温で物理吸着させた1∼3層目までの単原

子層He

1∼5層Heの面直方向の密度分布

4

_He

1
2

3

4

5

M. Roger et al., JLTP 112, 45 (1998)

どうやって？

1.

超固体

2.

量子スピン液体

3.

クーパー対の対称性を制御

できるBCS状態

例えば、

超

超固体とは何か？

1969年に理論予測された

物質の新しい状態

A.F. Andreev and I.M. Lifshitz, Sov. Phys. JETP 29, 1107 (1969)

1. 気体

2. 液体

3. 固体

4. 超流体

5. 超固体

Alexander F.

Andreev Ilya M. Lifshitz

E. Kim and M.H.W. Chan, Nature 427, 225 (2004); Science 305, 1941 (2004)

Born in 2004 (hcp

4

_He)

torsional oscillator

Kim and M.H.W. Chan, PRL 109, 155301 (2012)

Died (?) in 2012

Moses Chan

ρ

s

/

ρ

≈ 0.01

「超固体」に関する

発表論文数

＋

超固体

並進対称性

の破れ

結晶の周期性

超流動性

ゲージ対称性

の破れ

=

2nd layer promotion

C2

C2 + IC2

L2 + C2

G2 + L2

(gas+liquid)

L2

(uniform liquid)

F2

(uniform fluid)

IC2

(IC solid)

12

24

22

20

18

16

14

total areal density:

ρ

(nm

-2

)

1.6

1.2

0.8

0.4

0

T (K)

3rd layer promotion

2次元

4

_He

_{の新奇量子相}

S. Nakamura et al.,arXiv:1406.4388v2

0

C2 phase

4

_He/

4

_He/graphite

高密度固体相

1.

零点欠陥を内包する量子固体

(整合相)

または

低密度液体相

2.

量子液晶 (量子hexatic相など)

2

olid)

_{3rd layyer}

2nd layer promotion

L2

quid)

L2

rm liq

u

u

u

u

u

u

u

u

u

i

i

i

i

i

i

i

i

i

d

d

d

d

d

d

d

d

d

)

F

F

2

(unifo

o

o

o

r

r

r

r

r

r

r

r

r

m

m

m

m

m

m

m

m

m

fluid)

•

非常に低密度の

局在相

5回対称と7回対称の

回位対

中性散乱実験による直接検証が必要

2

2次元

4

_{He新奇量子相が超固体である兆候}

promotion
to 2nd layer
(11.8 nm-2₎

IC2

C2

C2 + IC2

L2 + C2

L2

G2 + L2

F2

3層目液体

4

_He

2層目局在相 (C2相)

•

Kosterlitz-Thouless転移

(2次元のトポロジカル相転移)

ねじれ振り子実験

Y. Shibayama et al. J. Phys. 150, 032096 (2009); to appear (2016)

S. Nakamura et al.,arXiv:1406.4388v2

4

_He/

4

_He/graphite

量子渦対の解離

•

抑制された超流動密度

• 臨界速度の可能性

P.A. Crowell and J. D. Reppy, PRB 53, 2701 (1996)

Supersolid research after 2012

Ye. Vekhov, W.J. Mullin, and R.B. Hallock, PRL 113, 035302 (2014) Ye. Vekhov and R.B. Hallock, PRB 92, 104509 (2015)

DC superflow measurement

through a solid

4

_{He crystal}

3

_{He plug for 1D superfluid channel?}

.

winding-circle map by PIMC calculation

1D S.F. network along

screw dislocation cores

M. Boninsegni et al., PRL 99, 035301 (2007)

量

量子スピン液体状態とは？

ギャップレス量子スピン液体

•

極度にフラストレートした新奇な磁気

基底状態

•

絶対零度でも各サイトのスピンの期待

値がゼロ

(

スピン座標の量子液体

)

スピン固体

(反強磁性体/強磁性体)

•

磁気素励起はスピン波 (マグノン)

スピングラス

•

強磁性と反強磁性相互作用の競合

• 残留エントロピー

P.W. Anderson (1973, 1987)

singlet pair

RVB

状態 (resonating valence bond)

gapful (

Δ

∼ J)

三角格子上S =1/2 ハイゼン

ベルク反強磁性体 (HAFT)

2

2次元

3

_{Heの量子スピン液体状態}

多体リング交換

  ＋

2次元三角格子

  ＋

量子スピン

(

S

=1/2)

K. Ishida et al., PRL 79, 3451 (1997) 10-2 10-1 100 101 0.1 1 10 18.2 nm-2 18.4 nm-2 C / R T (mK) (24.13 cm3_/mol) MSE model bcc solid 3_He

•

磁気比熱の

ダブルピーク

• 励起がギャップレス (

C

 T

)

2次元固体

3

_{Heで初めて発見}

全エントロピー変化

を観測

ΔS ≈ N

₂

k

_B

ln2

その後、有機物、遷移金属酸化物の

電子スピン系でも同様の量子スピン

液体状態の実験報告が相次ぐ。

関連発表論文数

： 2767本

•

低温極限で本当に

C

 T

なのか？

•

磁気素励起

は何か？

2

2次元固体

3

_{HeのQSL相の新奇な低温物性}

This work

C

 T

2/3

C

 T

2/3

C

 T

2/3

!

Ref. [2]

Ref. [1]

χ

 T

-1/3

χ

 T

-1/3

χ

 T

-1/3

_!

[1] H. Ikegami et al., PRL 85, 5146 (2000) [2] R. Masutomi, et al., PRL 92, 025301 (2004) 3

_He

_/

_HD

_/

_HD

_/gr

SU(2)対称性をもつ基底状態 ?

S =1 のマヨナラ粒子？

未

未発見の単原子層液体

3

_He

_の超流動

      ー

クーパーペア対称性制御の可能性 ー

2nd layer promotion

C2

C2 + IC2

L2 + C2 ?

L2

G2 + L2

T

_F

*

低密度整合固相

(量子スピン液体)

2

+ IC2

C2 ?

S. Nakamura et al.,arXiv:1406.4388v1 D. Sato et al., JLTP 158, 201 (2010); to appear

IC2

高密度不整合 固相 (強磁性)

_F2

(fluid)

正常フェ

ルミ液体

non FL

QCP ?

グラファイト上2層目

3

_He

_の相図

自然界で最も

希薄な液体

正

ル

L2 + C2 ?

C2 ?

non FL

QCP ?

面密度を1桁も可変 (0.6 ≤ ρ

≤ 6 nm

-2

₎

_{粒子相関を大きく可変}

0

2

4

6

面密度: ρ

(nm

-2

₎

p-wave

d-wave

s-wave?

H. Takahashi and D.S. Hirashima, JLTP 121, 1 (2000)
Y. Onishi and K. Miyake, JPSJ 68, 3927 (1999)

グ

グラフェンの特異な電子物性

ジグザグ端にのみ

存在する電子状態

Y. Niimi et al., Appl. Surf. Sci. 241, 43 (2005); PRB 73, 085421 (2006)

ジグザグ端状態

両者ともフェルミエネルギーに局在するフラットバンド

    

  

ジグザク端で両者の関係はどうなっているのか？

K

_K’

ε

k

ε

F
ホール

ゼロエネルギー・ランダウ準位

T. Matsui et al., PRL 94, 226403 (2005)

ジ

ジグザグ端をもつ六角ナノピット・ナノリボンの量産

エ

ッジからの距離

ジグザグ エッジ 90˚
60˚

H

₂

gas

Matching Box
Flow Meter

Copper Coil

Furnace

Furnace

Pressure Gauge
to Rotary Pump

sample

水素プラズマエッチング

ジグザグ

ナノリボン

T = 80 K in UHV

六角ナノピット

ジグザグ端状態

ジ

ジグザグ端状態と最低ランダウ状態の競合？

外副格子

内副格子

0.07 nm
0.14 nm

D.A. Abanin et al., Sol. State Comm. 143, 77 (2007)

理論予測

zz

upper terrace
lower terrace

LL0,-1

zz-



T = 4.7 K

B = 13 T

外副格子

+

内副格子 n = 0
n = 1
n = -1
1

LL

実験データ

T. Matsui et al., to appear (2016)

13 Tでの磁気長：lB = 7.1 nm

• 高次のランダウ準位 (n ≠ 0 LL) ピークは、ジグザ

グ端に向かって扇形 (白破線)に強度を失う

• 最低ランダウ準位 (n = 0 LL) は、一端、強度を

減じた後、滑らかにジグザグ端状態につながる

• n = 0 LLは、

(i) ZZ端状態が端に向かって単調減衰する

(

端状態がEFからずれて出現)

(ii) 理論予測通り強度がリエントラントな

振る舞いをする

の二種類が観測された。

→ 

端が原子レベルで完全なジグザク構造でないから？

  グラファイトの面間相互作用の影響？

•

理論予測通り、n ≠ 0 LLの扇形構造を観測

グ

グラフェンの電子状態制御

分子吸着によるキャリアドープ

suspended graphene

Grafoil (A = 35 m2₎ exfoliated graphene lead wires gas inlet 1 cm

O

₂

吸着@RTによるホール

ドープ (Δ

V

㲔 20 eV)

suspended
on SiO2

I

₊

I

_-

V

₊

V

_-
graphene

ジグザグ端をもつ

グラフェン・

ナノリボン

(超巨大磁気抵抗素子)

F. Munoz-Rojas et al., PRL 102, 136810 (2009)

微少磁場でエッジスピンの偏極度をスイッチ

ング(反強磁性⇄強磁性)できるはず

大きなグラファイト薄片から水素プラズマエッチングで 六角ナノピットを多数内包する巨大グラフェン試料を作成 10 μm
10 μm
グラファイト薄片 水素プラズマ・エッチング後

1

1次元電子系： カーボンナノチューブの物性

１次元金属の特長

• フェルミ液体ではなく、

朝永・ラッティ

ンジャー(TL)液体

(物理量の冪乗則)

• 低温で

電荷密度波

(CDW: 低次元系特有)

転移しやすく、

超伝

導

転移は起きにくい。

CNT実験の現状

•

TL液体

を示す実験はあるが、試料依存性やクーロン

ブロッケード(メソスコピック系特有)の補正が必要

•

超伝

導

相関は複数のグループが観測しているが

(0.05 ≤

T

≤ 17 K) 決め手がない

5 nm

DWCNTバンドル

bulk contact
raw data CB corrected

M. Bockrath et al., Nature 397, 598 (1999)

気相反応法でCNT中に硫黄(S)の

安定した金属1次元鎖ができる

T. Fujimori et al., Nat. Commun. 4, 2162 (2013)

CNT中の硫黄(S)の1次元

金属

鎖

(S@SWCNT)

2 nm

S@

SWCNT

S@

DWCNT

2 nm

CNT
S
CNT
CNT
S
CNT

500 nm

Buckypaper試料

(CNTバンドルの3次元

ネットワーク)で測定し

てみる

二

二層CNT-buckypaperの電気伝導度

K. Nakayama, et. al., to appear (2016) 信州大学との共同研究

outer CNT: 1.4 nm

φ

metallic 99%

inner CNT: 0.7 nm

φ

undefined

二層CNT試料で

TL液体から期待される

指数をもつ冪乗則

が安定して観測される



empty-

DWCNT

-Ag



S@

DWCNT

-Ag

S@

DWCNT

-In

R

 T

–

α

H = 0

T = 14 mKまで超伝導は観測されず、

弱局在の対数依存性が観測された

(強磁性不純物の低減)

R

 lnT

Egger et al., PRL 79, 5082 (1997) Kane et al., PRL 79, 5086 (1997)

α

= 0.24 for CNT

理論より

眼

眼を超低温に冷やすと遠くがよく見える

ASTRO-Hプレスキットより

P.J. Sharron et al., Cryogenics 552, 165 (2012)

軟X線分光検出器(SXS)を3段

の断熱消磁冷凍機で

T

= 50 mK

まで冷却

常磁性塩の電子スピン磁気作業物質 CPA: Cr₂3+_(SO 4)3•K2SO4•24H2O

軟X線分

の断熱消

まで冷却

電子スピンの断熱消磁冷却

東

東大理学部の核断熱消磁冷凍機

T

emperature (mK)

Magnetic

fi

eld (T

esla)

Y. Matsumoto et al., J. Low Temp. Phys. 134, 61 (2004); Physica B 329-333, 146 (2003)

B

_i

= 8 T"
! #

T

_i

= 11 mK"

3

_He-

4

_He#



T

_f

= 51 μK

1

1 mK以下を連続発生する小型核断熱消磁冷凍機の開発

PNS-2
PNS-1
HSW-1A
HSW-2A
HSW-1B
HSW-2B
混合器プレート 希釈冷凍機 混合器 温度計＆試料へ 150 mm
カーボン抵抗 温度計

2つのPrNi

₅

核ステージを

並列接続して

連続冷却

する

実際の配置図

PNS-1 PNS-2 HSW-1A HSW-2A HSW-1B HSW-2B 混合器 温度計 試料



100 mm

非常に小型

装置の接続図

ここは、実際には

混合器の上部に設置

試料用高磁場 マグネット

2つのPrNi

₅

核ステージを交互

に使えば、連続冷却できる

各種の

検出器冷却用

に使用できる

(衛星搭載可)

次世代ADRでも50 mK止まり

福

福山研 連絡先

(福山居室)

１号館中央棟 4階 433号室

(研究室)

同 437号室

_{電話：03-5841-4193}

メール：[email protected]

URL: http://kelvin.phys.s.u-tokyo.ac.jp/

NHK BSプレミアム

6月2日(木) 22時から

コズミックフロント☆NEXT

「ミステリー 宇宙で最も寒い場所」