ナノ多孔体を用いた水素量子液体の実現と超流動の探索

利用纳米多孔材料实现氢量子液体及超流性探索

基本信息

批准号：
17654069
负责人：
白濱圭也
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、新しい超流動・ボース-アインシュタイン凝縮現象の発見を目指し、ナノサイズの微細空間に閉じこめた水素分子(H_2)に期待される量子効果を、圧力温度相図の決定と熱的測定から実験的に調べるものである。水素をナノ細孔に閉じこめると固化が抑制されて過冷却液体が実現し、三重点の温度が低下し、場合によってはヘリウムと同様に、三重点が消失する可能性がある。前年度の定積圧力測定で、圧力容器内のバルク固体が空洞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、一定圧で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装置を用いて、孔径2.5および5nmの2種類のナノ多孔質ガラス中水素の定積圧力測定と、熱的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、新しくかっ重要な知見である。

这项研究旨在发现新的超流体和玻色-爱因斯坦凝聚现象，并利用压力-温度相图的确定和热测量来确定限制在纳米级微观空间中的氢分子（H_2）预期的量子效应。需要通过实验来研究的东西。将氢捕获在纳米孔中会抑制凝固并产生过冷液体，降低三相点的温度并可能导致其消失，类似于氦气。在去年的定容压力测量中，由于压力容器内的散装固体中形成空腔，观察到异常的压力行为。通过开发一种可以在恒定压力下生长晶体的低温恒温器解决了这个问题。今年，我们使用这个新装置测量了孔径为2.5和5 nm的两种纳米多孔玻璃中氢气的恒定体积压力，并观察到了热异常。结果发现，多孔材料中的大部分液态氢在过冷至9-10K左右后凝固(凝固温度根据孔径的不同略有不同)。压力-温度相图上的固液共存线具有与本体固液共存线类似的形状，但向较低温度侧移动，并且由于量子效应而导致的三相点的大幅下降并没有发生。观察到。然而，当以恒定的热流入速率扫描温度时，在很宽的温度范围内观察到温度变化的异常，这种行为表明孔隙中的一部分氢以过冷液体的形式保留下来，温度高达近7 K。我明白。这个 7K 的温度接近将理想气体模型应用于氢气时预测的玻色-爱因斯坦凝聚温度 6.6K。据信，该少量的氢存在于非均质孔的小孔径区域中。因此，通过使用具有均匀孔径的多孔体而不是具有孔径分布的多孔玻璃，可以清楚地观察到大的过冷和量子液体效应。这是以往超流氢探索实验中未曾获得的新的重要发现。