核磁気共鳴法による2次元ヘリウム3の量子流体相の研究

点击翻译按钮获取中文摘要

グラファイト表面に吸着した単原子層ヘリウム3は、強く相互作用する2次元フェルミ粒子系の量子物性を研究する上で理想的な実験系である。この系の吸着第2層には第1層に整合な4/7整合相が存在することが知られており、近年の比熱測定からこの系ではフェルミ流体的な振舞いから特異な性質をもつ一様量子相を経て、4/7整合相へと連続的に変化すること示唆されていた。本研究では^4Heを1層プレコートしたグラファイト上に吸着した2次元^3Heを対象として70μKの超低温から500mKの約4桁にわたる広い温度範囲かつ4.9<ρ<9.4nm^<-2>の幅広い面密度範囲で、核磁気共鳴の手法を用いてその磁気的性質を測定した。その結果、2次元^3Heは基底状態で、面密度(ρ)の増加とともにフェルミ流体相(領域I)、異常量子相(領域II)、過剰粒子相(領域III)、弱い強磁性相(領域IV)と多彩な量子相をもつことが分かった。領域I、領域IIについては、単純な2相分離では説明できない一様磁化の測定結果が得られた。これは最近の比熱測定の結果と一致している。しかし、局所的な内部磁場を反映する共鳴磁場シフトの測定結果は、この領域が古典的な一様相として説明できない新奇な量子流体であることを示している。4/7整合相より高面密度の領域III-aでは整合相に追加された粒子(過剰粒子)が第3層に重い流体として存在し、0.5mK以下の低温で過剰磁化がT=0に向かって消失する現象を観測した。これは過剰粒子がスピン1重項的な何らか秩序状態に入ったことを示唆しており非常に興味深い。領域III-bに入ると過剰粒子は強磁性的な性質を示し始め、一次転移を経て領域IVに入ると第2層の4/7相の性質が一様かつ弱い強磁性相に変化することが分かった。