薄膜弾性測定と微細共振器を用いた2次元吸着ヘリウムの相転移の解明

使用薄膜弹性测量和微谐振器阐明二维吸附氦的相变

• 批准号: 18J13209
• 负责人: 巻内 崇彦
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J13209/
• 关键词: 低温物性; ヘリウム; 水素; ネオン; 超固体; 超流動; 局在

本研究は低温の固体基板に吸着した数原子層の分子（原子）薄膜がどのような機構で局在するか明らかにすることを目的としている。分子薄膜の局在は超流動の発現や量子相転移と関係する重要な現象だが、電気的に中性な分子の局在を観測することは困難であり、局在の機構に様々な可能性が残っていた。これまでに我々は新しい手法として、薄膜の弾性率を直接測定できるねじれ振り子を開発した。多孔質ガラス基板に吸着した数原子層のヘリウム、ネオンに対して実験を行い、低温に向かって弾性率が増大し散逸にピークが現れる緩和現象（弾性異常）を発見した。平成３０年度はヘリウム（4He、3He）およびネオン（20Ne）薄膜の解析が終了し、さらに水素分子（H2、HD、D2）薄膜の実験も行った。弾性異常は吸着分子がエネルギーギャップの開いたバンドを組むことで生じる。量子性が最も強いヘリウムでは、量子臨界点でギャップが消失し量子相転移する。量子性の弱いネオンでは量子相転移は起きず、低温の固体的状態と高温の流体的状態の古典的なクロスオーバーとして理解できた。古典性と量子性を併せ持つ水素分子では、弾性異常が複数現れるという予想外の結果を得た。複数の弾性異常は水素分子の古典的拡散、量子トンネリング、表面拡散の凍結によるものであると考えられる。また、別に作製したねじれ振り子を用い、原子レベルで整ったグラファイト基板上の4He薄膜でも弾性異常を観測した。この結果は基板のランダムネスが分子の弾性に果たす役割を見直す上で重要である。以上の結果は、弾性異常があらゆる吸着分子薄膜に普遍的な現象であることを強く示唆している。今後は吸着分子と基板の様々な組み合わせに対して熱容量などの結果と比較して相や局在機構を整理する必要がある。ねじれ振り子の実験で時間を要したため、平成３０年度から着手する予定だったグラフェン共振器の作製は遅れている。

本研究的目的是阐明吸附在低温固体基底上的多个原子层的分子（原子）薄膜的局域化机制。薄膜中的局域化是与超流性和量子相变的发展相关的重要现象，但电中性分子的局域化很难观察到，因此局域化机制存在多种可能性。到目前为止，我们开发了一种新方法——扭摆，可以直接测量薄膜的弹性模量。我们对吸附在多孔玻璃基板上的几个氦和氖原子层进行了实验，发现了弹性模量向低温增加且耗散出现峰值的松弛现象（弹性异常）。 2018财年完成了氦（4He、3He）和氖（20Ne）薄膜的分析，并对氢分子（H2、HD、D2）薄膜也进行了实验。当吸附的分子形成具有开放能隙的带时，就会发生弹性异常。在具有最强量子特性的氦中，能隙在量子临界点消失并发生量子相变。氖具有弱量子特性，不会发生量子相变，可以理解为低温固态和高温流体状态之间的经典交叉。我们得到了意想不到的结果：氢分子中出现了多个弹性异常，氢分子同时具有经典性质和量子性质。多重弹性异常被认为是由于氢分子的经典扩散、量子隧道效应和表面扩散冻结造成的。此外，使用单独制造的扭转摆，我们观察到原子有序石墨基底上的 4He 薄膜的弹性异常。这一结果对于回顾基质随机性在分子弹性中所起的作用非常重要。上述结果强烈表明弹性异常是所有吸附分子薄膜中的普遍现象。将来，有必要比较吸附分子和基质的各种组合的热容和其他结果，以阐明相和定位机制。原定于 2018 财年开始的石墨烯谐振器的制造工作已被推迟，因为扭摆实验需要时间。

项目成果

Elastic anomaly of helium films at a quantum phase transition

量子相变时氦膜的弹性异常

• DOI: 10.1103/physrevb.98.235104
• 发表时间: 2018
• 影响因子: 3.7
• 作者: Makiuchi T.;Tagai M.;Nago Y.;Takahashi D.;Shirahama K.
• 通讯作者: Shirahama K.

水素薄膜における複数の弾性異常

氢薄膜中的多重弹性异常

• 发表时间: 2018
• 作者: 巻内崇彦;山下勝之;互井通裕;永合祐輔;白濱圭也
• 通讯作者: 白濱圭也

Elastic Anomaly of Helium, Hydrogen and Neon Films on Disordered Substrate

无序基底上氦、氢和氖薄膜的弹性异常

• 发表时间: 2019
• 作者: T. Makiuchi; K. Yamashita; M. Tagai; Y. Nago; K. Shirahama
• 通讯作者: K. Shirahama

Elastic Anomaly of Thin Neon Film

霓虹灯薄膜的弹性异常

• DOI: 10.7566/jpsj.88.034601
• 发表时间: 2019
• 影响因子: 1.7
• 作者: Makiuchi Takahiko;Yamashita Katsuyuki;Tagai Michihiro;Nago Yusuke;Shirahama Keiya
• 通讯作者: Shirahama Keiya

吸着薄膜における弾性異常

吸附薄膜的弹性异常

• 发表时间: 2019
• 作者: 巻内崇彦;山下勝之;互井通裕;永合祐輔;白濱圭也
• 通讯作者: 白濱圭也