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。

这项研究旨在发现一种新的超氟玻璃纤维凝结现象，并使用压力温度相透析和热测量值确定限制于纳米尺寸的罚款空间的氢分子（H_2）的量子效应。限制纳米孔中的氢会抑制凝固并意识到过冷的液体，从而降低了三个点的温度，在某些情况下，三重点可能消失，类似于氦气。在上一年的固定体积压力测量中，由于压力容器中的大量固体产生了空腔，因此观察到异常压力行为。通过开发一个允许在恒压下晶体生长的低温恒温器来解决此问题。今年，我们使用这种新设备来测量两种类型的纳米玻璃的固定体积压力，孔径为2.5和5 nm，并观察热异常。结果，发现多孔体中的大多数液体氢被过冷至9-10k，然后凝固（固化温度取决于孔径略有不同）。压力温度相图上的固定液体共存线就像散装固体共存线向低温侧移动，并且由于预期的量子效应，未观察到三重点的显着降低。但是，当以恒定量的热流入进行温度扫描时，在广泛的温度范围内观察到异常温度变化，并且从其行为中发现，孔中的一部分氢被视为高达近7K的过冷液体。 7K的温度接近Bose-Einstein冷凝温度为6.6K，在将理想的气体模型应用于氢时预计。据信这种少量氢存在于小孔尺寸区域的不均匀孔中。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，可以清楚地观察到较大的超冷效果和量子液体效应。这是一个新的重要发现，在以前的超流体氢搜索实验中无法获得。