水晶マイクロバランスによる3He固体膜と4He固体膜の力学応答の研究

吸着膜のすべり運動は潤滑膜の原子・分子スケールの理解に重要でありナノトライボロジーの研究分野のひとつとして発展している。その中で3He膜と4He膜のすべり運動の研究は，吸着膜のすべり運動の研究で特異な地位を占める。3He膜と4He膜は，ともに揺らぎの大きな低次元の量子物質であり，さらに，ある面密度以上では4He膜は4He膜上部の液相が超流動となる。本研究の目的は，グラファイト基板に吸着した3He膜と4He膜のすべり運動を測定し，すべり運動での量子効果についての知見を得ようとするものである。令和４年度は，令和３年度に引き続き，5MHzAT-カット水晶振動子および32kHz音叉型水晶振動子での実験を行った。5MHzAT-カット水晶振動子ではグラファイト基板としてグラフォイルを利用し，32kHz音叉型水晶振動子では単結晶を発泡したグラファイトを基板として3He-4He混合膜の力学応答を測定した。単結晶を発泡したグラファイトを基板の実験では，グラファイトの粒径が大きくなる発泡した単結晶を利用することでHe膜のすべる割合が大きくなりHe膜のすべりを高感度に測定が可能となった。これまでの測定から，3He-4He混合膜の力学応答として次のことが明らかになった。5MHzの実験では，(1)大振幅では3He-4He混合膜はすべり，小振幅で固着する。このとき3Heの面密度が大きくなると固着までの緩和時間が長くなる。これは，固相4He原子が液相4He原子と交換が起こっていることを示唆する。また32kHzの実験では、(1)3He膜は，基板振幅が小さい振幅ではグラファイト基板に固着し，振幅を増加させるすべりが起こり，さらに振幅を増加させると再び固着する。(2)大振幅の固着状態は準安定状態であり，振幅を減少させると，固着状態とすべり状態を2回繰り返して安定状態の固着する。

吸着膜のすべり運動は潤滑膜の原子・分子スケールの理解に重要でありナノトライボロジーの研究分野のひとつとして発展している。その中で3He膜と4He膜のすべり運動の研究は，吸着膜のすべり運動の研究で特異な地位を占める。3He膜と4He膜は，ともに揺らぎの大きな低次元の量子物質であり，さらに，ある面密度以上では4He膜は4He膜上部の液相が超流動となる。本研究の目的は，グラファイト基板に吸着した3He膜と4He膜のすべり運動を測定し，すべり運動での量子効果についての知見を得ようとするものである。令和４年度は，令和３年度に引き続き，5MHzAT-カット水晶振動子および32kHz音叉型水晶振動子での実験を行った。5MHzAT-カット水晶振動子ではグラファイト基板としてグラフォイルを利用し，32kHz音叉型水晶振動子では単結晶を発泡したグラファイトを基板として3He-4He混合膜の力学応答を測定した。単結晶を発泡したグラファイトを基板の実験では，グラファイトの粒径が大きくなる発泡した単結晶を利用することでHe膜のすべる割合が大きくなりHe膜のすべりを高感度に測定が可能となった。これまでの測定から，3He-4He混合膜の力学応答として次のことが明らかになった。5MHzの実験では，(1)大振幅では3He-4He混合膜はすべり，小振幅で固着する。このとき3Heの面密度が大きくなると固着までの緩和時間が長くなる。これは，固相4He原子が液相4He原子と交換が起こっていることを示唆する。また32kHzの実験では、(1)3He膜は，基板振幅が小さい振幅ではグラファイト基板に固着し，振幅を増加させるすべりが起こり，さらに振幅を増加させると再び固着する。(2)大振幅の固着状態は準安定状態であり，振幅を減少させると，固着状態とすべり状態を2回繰り返して安定状態の固着する。