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ナノ多孔体中ヘリウム4の超流動転移における4次元XY量子臨界性 (本文)

谷, 智行 慶應義塾大学

2021.12.08

概要

相転移に伴って現れる秩序状態の解明は、物性物理学の最も基本的で重要な研究対象である。特に絶対零度において現れる量子相転移は、通常の有限温度の相転移が熱揺らぎによって駆動されるのに対して、系に特徴的な量子力学的な不確定性に起因する量子揺らぎによって駆動される新奇な相転移である。そこでは、磁場や圧力のような温度ではない制御パラメータを変化させることで相転移が起こり、その相転移点を量子臨界点 (Quantum Critical Point, QCP) と呼ぶ。量子相転移の新奇性は絶対零度に留まらず、有限温度においても量子臨界点近傍では量子揺らぎが顕著に存在し、新奇な基底状態や低エネルギー励起の存在が期待される。これらの量子臨界現象の探索と強相関系量子多体系の物理の解明が現代の物性物理学における大きな研究対象となっている。[1, 2]

重い Fermi 粒子系における量子臨界点の存在は、量子臨界領域における非 Fermi 液体性や超伝導と磁気秩序が相図上で隣接して出現するなど、様々な新奇物性を引き起こしており、特に関心を持って研究がなされてきた [3, 4]。しかしながら Fermi 粒子系は高い自由度を持つため相図に見られるように系は極めて複雑であり、そのため量子相転移そのものの性質を調べるのは困難である。一方で Bose 粒子系である超流動ヘリウムは自由度が低く、また不純物を含まない清浄な系であるため、相転移や秩序状態の研究において理想的な舞台であると言える。

液体ヘリウム 4 はもともと量子性が強く、制限空間への閉じ込めや低次元系において量子相転移を示す。2 次元超流動ヘリウム 4 では吸着量を変えることで量子相転移が実現されており [5]、理論的には Bose-Hubbard モデルに基づいて議論されている [6]。近年、ナノメートルサイズの孔径を持つ多孔体 Gelsil ガラス中において加圧下の液体ヘリウム 4 が量子相転移を示すことが実験的に明らかになった [7]。また 1 次元的なナノサイズの流路を持つ多孔体中においては 1 次元超流動として量子相転移を示し、朝永-Luttinger 液体性を示すと考えられている [8, 9]。

超流動ヘリウム 4 は低温で実効的に粘性を失った液体として振る舞う超流動現象を示す。これは超伝導や冷却原子系の超流動と対応する現象であり、Bose-Einstein 凝縮に起因する。超流動相はゲージ対称性が破れた秩序状態であり、複素数の秩序変数を持つ。このことを反映してバルク液体ヘリウム 4 は 3 次元 XY モデルの普遍性クラス (universality class) に属している。この秩序状態が制限空間への閉じ込めによってどのように変化するかが調べられてきた。特に平均孔径 7 nm の細孔を持つ多孔体 Vycorガラス中のヘリウム 4 の物性は良く調べられており、超流動転移温度はバルク転移より低温に抑制されるものの、臨界挙動を含めてバルク超流動ヘリウム 4 とは大きくは異ならない。一方で平均孔径 2-3 nm という更に小さな孔径を持つナノ多孔体 Gelsil ガラス中では液体ヘリウム 4 の超流動性は大きく変更を受ける。超流動転移温度は圧力上昇によって低温に抑制され、臨界圧力 Pc(T = 0) = 3.3 MPa において絶対零度に至る。すなわち圧力を変えることで量子相転移が生じている。高温側の相は単なる常流動相ではなく、非自明な非超流動状態が実現している。そこでは Gelsil の細孔分布の不均一性を反映して、孔径が大きな場所に局所的に超流動状態が発達し、それらが細孔の細い場所で分断されて孤立していると考えられている。これらの分断された Bose凝縮体の間には超流動の位相の相関が存在せず、巨視的な超流動性が失われている。このような描像から、この非超流動状態は局在 BEC 状態と名付けられている。

Eggel らは不均一性を取り入れた Bose-Hubbard モデルによって Gelsil 中ヘリウム 4 の量子相転移を理論的に議論している [10, 11]。彼らは Gelsil 中ヘリウム 4 の超流動転移が絶対零度において 4 次元 XY の量子臨界性を示すことを見出した。量子相転移系の臨界挙動は空間次元を d、動的臨界指数を z とするとき、d + z 次元の古典系の臨界挙動として記述できる場合がある。Gelsil 中ヘリウム 4 の場合ではこの動的臨界指数が z = 1 である。彼らの理論は Yamamoto らが捻れ振動子を用いて測定した Gelsil 中超流動密度を絶対零度に外挿した値 ρs(T = 0) が、4 次元 XY として期待される ρs(P, T = 0) ∝ Pc(0) − P の臨界挙動で良く記述できることを示した。また超流動相と局在 BEC 状態の間の相境界線は Pc(0) − Pc(T ) ∝ T 1/zν(ν は相関長の臨界指数) と書けるが、彼らは Yamamoto らの実験結果が Pc(0) − Pc(T ) ∝ T 2.13 と表せることを示した。この指数 2.13 もやはり 4 次元 XY で期待される指数 1/zν = 2 と良く一致する結果であった。

一般に量子相転移系であっても、有限温度の相転移点では熱揺らぎが急激に成長して、熱的な相転移となる。そこでは臨界挙動は古典的な相転移と同じ臨界性を持つと考えられている [12]。すなわち、Gelsil 中ヘリウム 4 の場合には 3 次元 XY の臨界挙動を示すはずであるが、Eggel らの議論では有限温度の相境界線も全温度域において 4次元 XY の臨界指数で記述されている。この不一致の起源を明らかにするため、本研究では Helmholtz 共振器を用いて有限温度の相転移点における Gelsil 中ヘリウム 4 の臨界挙動と超流動の流れの特性を実験的に調査する。それによって Gelsil 中ヘリウム 4 の量子相転移の性質を明らかにし、局在 BEC 状態の起源と超流動転移の機構を解明することを目指す。

本章ではまず超流動ヘリウム 4 の基本的な性質を説明し、2 章で量子相転移の議論と、先行研究として現在までに分かっている Gelsil 中ヘリウム 4 の超流動物性を紹介する。第 3 章では実験装置の機構と製作、実験方法を説明し、第 4 章では実験結果を概説する。これらの結果を受けて第 5 章では超流動密度の臨界指数と 4 次元 XY の量子臨界性について議論し、第 6 章では超流動転移に伴って観測された散逸異常から局在 BEC 状態と超流動相の間の相転移の機構を議論する。

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参考文献

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