L 極低温量子物性研究室 研究室 て可能にする．また現象の解析や理解には熱・統計力学， 電磁気学，量子力学など随所で適用する必要があり，大 変興味ある総合実験物理である．超低温の分野では名古 屋大学は国際的にもっとも進んだ研究を行ってきた大学 の一つである．修了者は他大学に就職したり，会社やそ の研究所の新しい領域で活躍している． １．１次元ナノ多孔体中の4Heボースおよび3Heフェルミ 量子流体 同位元素で単原子分子の4Heと3Heは，高温ではほとんど 同じ性質を持つ．しかし極低温ではそれぞれボースおよび フェルミ粒子の量子特性を顕著に反映した凝縮相になる． バルク （ ３ 次元） の4He液体は約 2 K以下で超流動に相転移し， 3 He液体はフェルミ縮退したあと数mK以下でP波超流動に 転移する．これらの超流動では，相転移の臨界現象の理 論の検証や，時間に依存した相転移（いわば ４ 次元）での Kibble-Zurek機構のシュミレーションが行われている．ま た平らな固体表面上に吸着した4Heの液体薄膜では典型的 な ２ 次元Kosterlitz-Thouless超流動転移を示す． これら ４ 次元から ２ 次元の4Heボース液体に加え，我々 は新しく １ 次元の4Heボース液体を創り出す研究を行って いる．これまでに多孔体（FSM-16）に形成された直径が約 1.8ナノ・メートルの真っ直ぐにのびたトンネル中に4Heを吸 着して，このボース液体を実現した． １ 次元の場合は ３ 次 元の常識が単純には当てはまらない．例えば １ 次元ガスの 場合は絶対零度までボース凝縮を起こさない計算になる． このような 1 次元トンネル中に実際に作られた 1 次元4He ボース液体で， 2 次元や 3 次元のものとは異なる特徴を示 す新しいタイプの超流動が低温で発達することが，我々の 系統的な実験研究によってわかってきた．従来 1 次元では 超流動はないと信じられてきたが，最近の平島大教授（S 研究室）らの理論では有限長のトンネル中で 1 次元超流動 が存在することが示されてきており，現在検証研究を進め 和田信雄教授 * 和田信雄 教授 Nobuo Wada, Prof. 三浦裕一 准教授 Yuichi Miura, Assoc. Prof. 松下 琢 講師 Taku Matsushita, Lecturer 10 32K以上の世界の始まりの温度から現在の宇宙の温 度（約 3 K）への冷却の過程では，いくつもの相転 移を経て，ある種の秩序相である現在の世界があるとい われている．一方，約300Kの地球上に住む我々は 1 mK （10−3 K）以下の極・超低温を定常的に作ることを可能にし てきた．また原子ガスや核スピン系については，アイデ アに富んだ手法で 1μK（10−6 K）や 1 nK（10−9 K）の程度の温 度も実現されている．当研究室では極低温および超低温 環境をつくりだし，この極限環境ではじめて実現する4He と3Heの量子凝縮相や，物質科学において次々と創り出さ れる新規磁性体や電子系物質などの量子物性を研究して いる. 現在我々は， 4 台の小型3He/4He希釈冷凍機（最低温度 約40mK）と大型希釈冷凍機（最低温度約10mK），また 3 He冷凍機（約0.4K）などを用いて極低温を実現している． さらにサブmKの超低温を定常的に作り出すために，核断 熱消磁冷凍装置も開発する予定である．現在，中心とな る比熱や帯磁率などの熱力学的測定に加え，ねじれ振り 子や水晶振動子，NMRなどの測定技術も駆使し，以下に あげる様な研究を行っている． 極低温および超低温実験では微少な電気信号の検出や 精密測定を，電気，機械，コンピュータの技術を駆使し 動についても，高周波数の振動が可能な水晶振動子を用 いて，動的効果という新しい側面から超流動発現に関わ る量子渦の微視的状態などを解明する研究を行っている． ３．有機反強磁性体の量子磁性・フラストレーションを持 つ磁性体の基底状態 我々は数十mKまでの比熱や磁化率などの物性計測を 行えるようにしている．そして学内外のグループが創り 出した多種・多様な新物質について極低温での物性研究 を行っている．スピンが幾何学的な理由等でエネルギー を最低にする方向がとれないとき（フラストレーション） や配置が低次元的であると，スピン方向の秩序化が起き ず量子力学でしか記述できない基底状態が現れる可能性 がある． 阿波賀邦夫教授（物質理学専攻）のグループが開発し たm-MPYNN有機反強磁性体では，我々は30mKまでの比 熱や磁化率測定を行い，強い量子効果で基底スピン状態 が非磁性状態になった 2 次元スピン・ギャップ状態を発見 した．更にこの量子基底状態のミクロな機構を解明する ために，我々は筑波にあるKEKや英国のRALにある理研 の実験施設を利用してμ+SRの実験も行った．そしてこの 微視的手段でも非磁性状態を確認し，さらにS= 1 のダイ マースピン内での量子ゆらぎを観測した．最近では磁場 中の基底状態について重要な知見を与える磁化プラトー を交流帯磁率測定により観測した． また反強磁性ボンド交替鎖F5PNNにおいては，磁性 と格子の競合による極低温の構造相転移や，二量体の鎖 がつくる磁場誘起磁気秩序について大阪府立大学と共同 研究を行っている．我々の帯磁率測定において鎖間相互 作用による三次元磁気秩序に先行して起きる一次元短距 離秩序が明らかになった．これらの磁気秩序はそれぞれ Magnonのボース凝縮，朝永-Luttinger液体として記述で きる可能性があり，研究をさらに進めている． 三浦裕一准教授 ている． 1 次元のフェルミ流体についても 1 次元多孔体中に3He を吸着することで実現する研究を行っている． ３ 次元の 3 He液体は極低温で典型的なフェルミ液体であるが， 1 次 元トンネル中では 1 次元系特有の朝永-Luttinger液体とい う量子液体やSDW状態などになると期待されており，比 熱やNMRを用いた実験研究を進めている． ２．種々の次元性を持つ量子流体薄膜 ２ 次元的に吸着されたHe薄膜がナノスケールの細孔中 では実際には １ 次元性を示す．このように吸着薄膜を用 いれば，吸着基盤の構造によってさまざまな次元性を持 つ量子流体を実現することが可能である．我々は同孔径 の細孔で細孔の接続環境だけを代え，薄膜量子流体4Heの 比熱や超流動密度の次元性に依存する部分だけを取り出 す試みを行っている．次元性の違いは，たとえば超流動 発現の機構の違いとして観測されている． また，従来型の平面に吸着された 2 次元薄膜4Heの超流 http://ult.phys.nagoya-u.ac.jp/ *連絡先 [email protected] FAX 052-789-2888 教授：1／准教授：1／講師：1／助教：0／ DC：0／ MC：7 松下琢講師 46 L研所属の学生とスタッフ 47
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