2次元固体ヘリウム3における量子スピン液体状態の実験的検証

二维固态氦3中量子自旋液态的实验验证

• 批准号: 03J11007
• 负责人: 松本 洋介
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-03J11007/
• 关键词: 超低温; 量子液体・固体; 量子スピン液体; 2次元3角格子; モット転移; 強相関

グラファイト上に物理吸着したヘリウム3(^3He)原子は、低温で理想的な2次元強相関フェルミ粒子系を形成する。特に、吸着第2層目には3角格子構造を持つ低密度整合相(4/7相)が存在し、その磁気基底状態はギャップレスの量子スピン液体状態であると考えられている。また、低面密度のFermi流体相では、4/7相に向かって密度を増加させると^3He準粒子有効質量m^*が発散的に増大し、これがMott-Hubbard型の量子局在転移として理解できるという主張がなされている。前年度までの熱容量測定によって、4/7相のごく近傍の密度域ではMott局在相に零点空格子点をドープした新たな量子状態が実現している可能性が示唆された。ここではスピン自由度に由来する交換相互作用程度の温度(T【approximately equal】1mK)の熱容量ピーク(スピン熱容量)と、30mK付近のなだらかなピークとが共存する奇妙な温度依存性を持つ。系はFermi流体相からこの異常状態を経由し、連続的にMott局在相に移行すると考えられる。今年度は前年度の実験結果を補うとともに、まず4/7相より高密度領域の熱容量測定を行った。その結果、4/7相完結以上の密度で直ちに3層目Fermi流体が形成されるわけではなく、2層目内で4/7相に粒子ドープされた状態か、もしくは3層目にself boundした液体^3Heが形成されている可能性が示唆された。さらに、吸着第2層目の^3Heの一部を^4Heで置換した効果について調べた。その結果、低温スピン熱容量への影響は大きくないものの、30mKのなだらかなピークは大幅に増大し、過剰熱容量の密度変化は4/7相の密度を中心として対称的であることが分かった。これは単純な^3He^<-4>Heの混合では説明のできない現象であり、空格子(もしくは^3He粒子)ドープされた4/7相に対し、ボゾンである^4He不純物が何らかの影響を及ぼしていると考えられる。

氦3（^3he）原子在石墨上物理吸附，形成了一个理想的二维在低温下密切相关的费尔米斯系统。特别是，吸附第二层具有具有三角形晶格结构的低密度匹配相（4/7相），其磁接地态被认为是无间隙的量子旋转液态。也有人认为，在低平面密度费米流体相中，向4/7阶段的密度增加了差异增加 ^3he Quasiparticles的有效质量m ^*，可以理解为Mott-Hubbard型量子定位过渡。直到上一年的热容量测量表明，在4/7阶段附近的密度区域中实现了一种新的量子状态。在这里，有一个奇怪的温度依赖性，其中温度的热容量峰（自旋热容量）（大约等于1MK）衍生自旋转自由度的程度，较轻的峰值约30MK。据信，该系统将通过这种异常状态从费米流体阶段连续过渡到Mott局部阶段。今年，除了补偿上一年实验的结果外，我们首先测量了高密度的热容量范围为4/7阶段。结果，有人提出，第三层中的费米流体不是立即以4/7或大于最后阶段大的密度形成，而是将4/7相颗粒掺入第二层，或者是在第二层中掺杂的，或者是在第三层中形成的自结合液体 ^3HE。此外，研究了用 ^4E在第二吸附层中替换 ^3HE的一部分的效果。结果表明，尽管对低温自旋热容量的影响不大，但在30MK处的柔和峰值显着增加，并且密度变化过多的热容量是对称的，以4/7阶段的密度为中心。这是一种无法通过简单的 ^3he ^<-4>混合来解释的现象，据认为，玻色子 ^4He杂质对4/7相掺杂的空缺（或 ^3he颗粒）具有一定的影响。

项目成果

Y.Matsumoto: "Preliminary heat-capacity measurements of 2D solid ^3He adsorbed on graphite preplated with ^4He"Journal of Low Temperature Physics. 134. 61 (2004)

Y.Matsumoto：“吸附在预先镀有 ^4He 的石墨上的二维固体 ^3He 的初步热容测量”《低温物理学杂志》。

Y.Niimi: "Characterization of ZYX exfoliated graphite for studies of monolayer ^3He below 1 mK"Review of Scientific Instruments. 74. 4448 (2003)

Y.Niimi：“用于研究单层 ^3He 低于 1 mK 的 ZYX 膨胀石墨的表征”科学仪器评论。

NMR Measurements of a Possible New Quantum Phase in 2D ^3He

2D ^3He 中可能的新量子相的 NMR 测量

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Low Temperature Physics 138
• 作者: Yonehara;Atsunori;D.Tsuji;N.Nakajima et al.;H.Akisato
• 通讯作者: H.Akisato

S.Murakawa: "NMR measurements of 2D ^3He adsorbed on ZYX exfoliated graphite"Journal of Low Temperature Physics. 134. 109 (2004)

S.Murakawa：“ZYX 膨胀石墨上吸附的 2D ^3He 的 NMR 测量”《低温物理学杂志》。

D.Tsuji: "Large mass enhancement in ^3He monolayer fluids adsorbed on graphite preplated with ^4He"Journal of Low Temperature Physics. 134. 31 (2004)

D.Tsuji：“吸附在预先镀有 ^4He 的石墨上的 ^3He 单层流体的质量大幅增强”《低温物理学杂志》。