ナノ多孔体ガラスに閉じ込めた4Heの超流動 Supefluidity of 4He Confined in a Nano-porous Glass

博士論文

2010

4He confined in nano-porous media has attracted attention. Recently, Yamamotoet al. have performed torsional oscillator measurements for 4He confined in a nanoporousglass, Gelsil. The superfluid onset temperature TC is suppressed at 1.4 Kunder saturated vapor pressure (SVP), while the specific heat takes a maximum at thetemperature higher than TC. This suggests that the separation between superfluidityand Bose-Einstein condensate (BEC) occurs in a Gelsil glass and that nano-scaleBECs are localized in pore. It is of great interest to clarify the properties of thesuperfluidity of 4He confined in Gelsil. Thus motivated, I carried out ultrasoundmeasurements for a study on 4He confined in Gelsil, which was the same batch asused in the previous torsional oscillator measurements.The composition of this thesis is as follows.In Chapter 1, I introduced the previous work that related to the present study. Yamamotoet al. has performed torsional oscillator measurements for 4He confined in anano-porous glass, Gelsil, and found a strong suppression of superfluidity. This suggeststhat the separation between superfluidity and Bose-Einstein condensate (BEC)occurs in Gelsil and that nano-scale BECs are localized in pore. In this chapter, Ialso explained the motivation of the present study. For 4He confined in Gelsil, itmay be expected that the superfluidity depend on time-scale, because it is thoughtthat the superfluid component is weakly linked. Then, I carried out ultrasonic (MHzfrequency)and torsional oscillator (kHz-frequency) measurements.In Chapter 2, I explained the experimental technique related to the present study.Ultrasonic measurements are commonly used. The sound velocity is is connectedto an elastic constant, while the sound attenuation to an internal friction. In thestudy of superfluidity for porous media, the sound velocity is also connected to thedecoupling of the superfluid fraction. On the other hand, the the decoupling of thesuperfluid fraction is obtained from torsional oscillator measurements.In Chapter 3, I explained the experimental setup. In particular, I described indetail the setup of simultaneous ultrasonic and torsional oscillator measurements,which was first developed in the present study.In Chapter 4, I explained the present results. TC of ultrasonic measurements is ingood agreement with that of torsional oscillator measurements in the experimentalresolution. In the preset study, I can conclude the superfluidity does not depend ontime-scale, in the same manner as bulk liquid 4He. Form the present study, it wasmade clear that the sound velocity varies due to the relaxation of ultrasound stressesby a thermal activation mechanism, regardless of whether 4He in the pore is liquidor solid. And it was found that the different heat treatment of Gelsil glass affectsboth the relaxation and the superfluidity of 4He in the pore.In Chapter 5, I summarized the present study.多孔体の孔内のように制限された空間に4He を閉じ込めた際，細孔の接続の次元性や孔径によって4He の物性が変化することから，超流動の強い抑制や局所ボーズ凝縮の可能性などの新しい物理現象に興味が持たれている。多孔体ガラスGelsil に関して，先行研究では，ねじれ振り子による測定で孔内の4He の超流動が強く抑制されること，比熱の測定から新しい量子現象の発現が見出されている。特に超流動現象の強い抑制に関しては多孔体試料の表面状態に強く依存する現象であることが示唆される。多孔体ガラス試料の評価は超音波測定による超流動現象の測定を詳細に解析することで行うことが出来る。本研究では多孔体ガラスであるGelsil ガラスに4He を閉じ込め，超音波とねじれ振り子を組み合わせた手法を用いて，超流動現象の測定と，その孔内に閉じ込めた4Heの超流動現象が基板からどのように影響を受けているか，解明することを目的とした。本論文の構成は次の通りである。第1 章では本研究に関連する先行研究を紹介し，本研究で着目した研究課題について説明を行った。多孔体ガラスGelsil に関する先行研究では，孔内に閉じ込めた4He の超流動の抑制現象は多孔体内に局所的に発現するBEC 状態（LBEC）によるものであると説明される。LBEC による超流動現象の観測は観測方法に依存する可能性を指摘し，本研究の目的としてLBEC による超流動の観測方法依存性を明らかにし，LBEC による超流動が大きく抑制される現象の機構を解明する点であることを述べた。第2 章では本研究に関わる実験原理，実験手法について説明した。本研究に関連する測定手法として超音波測定とねじれ振り子測定について，測定原理の概略並び計測方法について述べた。超音波測定は音速が弾性定数に依存すること，結晶格子の情報を音速や吸収の変化から見出すことが出来ることなどから，物性研究に多用される測定方法である。超音波測定により基板の状態を評価し，超流動に与える影響を評価することが可能である。また4He の超流動の測定は，多孔体に閉じ込めた4He が超流動転移すると粘性の消失により基板の振動から離脱し，見かけ上密度の変化が音速に影響を与えるので，音速変化から超流動を観測することが可能である。本研究は同様に振動から離脱する4Heを検出することで超流動を観測するねじれ振り子測定装置に，超音波測定の準備を行った多孔体ガラス試料を適用することで，両測定を同時刻に行うことができる測定手法を開発した。この手法により4He 超流動の詳細な測定を行い，超流動の観測方法依存性と基板が超流動現象に与える影響を明らかにすることが可能となった。第3 章においては，本研究において行った実験の準備，および実験装置について述べた。特に新規に開発したねじれ振り子と超音波測定の同時測定装置に関してはその具体的な制作方法を説明した。ねじれ振り子と超音波測定の同時測定装置は，ねじれ振り子の試料容器に格納できる超音波測定試料の作製と，振り子の共振に影響を与えることなく超音波信号を外に取り出す構造に特色がある。第4 章においては，実験の結果を説明し，それに基づき議論を行った。多孔体ガラスGelsil の中に閉じ込めた4He の超流動に関して，音速変化とねじれ振り子による測定から圧力温度相図を詳細に確定した。同時測定の結果，多孔体ガラスGelsil 中の超流動の観測に観測方法依存性は認められなかった。また音速の温度依存性の解析により，4Heを閉じ込めた多孔体の音速変化を，ガラス固有の音速変化と音波の緩和現象の寄与で説明出来ることを明らかにした。音波の緩和現象は4He の不活性層が起源であり，準備段階での熱処理方法が異なる試料を比較することで，不活性層は熱処理によって変化する表面ポテンシャルの影響を強く受けていることを示した。また緩和現象は超流動の抑制現象に強く関与している可能性を指摘した。超流動の抑制現象と音波の緩和現象の関連を明らかにし，超流動の抑制現象は，表面ポテンシャルの影響を強く受けた不活性層が影響を与えている可能性を指摘した。第5 章ではこれら本研究の結論をまとめた。また本研究の4He を吸着させたGelsil のねじれ振り子と超音波の同時測定において，吸着4He とGelsil 基板との間のスリップ現象が観測されたので，付録としてその現象の詳細を説明した。以上，本論文では，ナノ多孔体ガラスGelsil の細孔内に閉じ込めた4He に関して，加熱処理の条件が異なるGelsil 試料を用い，新しい測定手法であるねじれ振り子と超音波測定の同時測定，および音速測定の結果を比較し，その結果を報告した。この研究により制限された空間に置かれた4He の超流動現象について，その基板の状態が超流動に影響する機構の一端を明らかにできた。