単原子層ヘリウム4における超固体性、超流動液晶性

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昨年度までに、広い温度範囲で測定したねじれ振り子の詳細の解析と比熱の同時測定により、液相と固相の中間に存在する相で超流動性と弾性増加を同時に示すことを見出した。そこで、計画していた熱伝導度測定を変更し、より詳細に相、超流動、弾性の密度依存性を調べるため、今年度も比熱とねじれ振り子の追加測定を実施した。その結果、液相と中間相の共存相に入ると同時に、超流動は急速に減少し、また弾性がステップ的に増加することがわかった。さらに中間相においても超流動信号は維持し、固相に入ると測定感度の範囲で超流動信号が０になることがわかった。また、観測された特異な温度、密度依存性がJosephson弱結合モデルを用いて説明できることがわかった。今回初めて見出した、超流動と弾性増加が共存する新奇相は、空間秩序によって弾性が増加していれば近年電子系などで注目される量子液晶相であり、それ自身も、また他の量子液晶との関連も興味深い。計画していた通り、今年度はさらにSPring-8において、高輝度光科学研究センターの田尻寛男主幹研究員、兵庫県立大学の山口明准教授らのグループとともにX線散乱、回折による低温でのグラファイト上単原子層ヘリウムの構造解析の装置作製、測定を行った。透過率の高い硬 X 線を用いることで発熱を抑えることができる。GM冷凍機と、液体ヘリウムの蒸発冷却を用いた冷却システムの開発・改良、回折実験に有効である、単結晶サイズが大きくモザイク角が小さなグラファイト基板の評価・選定、単原子層ヘリウム膜を作成するための関連装置の設計・製作を実施した。実際に1.4 KでCTR散乱実験を行い、ヘリウム吸着密度に依存する散乱強度変化を観測することに成功した。今後、今回見出したモザイク性の小さなグラファイト基板を用いて、透過型X線回折実験を行うことで、面内構造解析が可能である。